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不同装药方式下爆炸分离碳纤维增强复合材料平板探讨

日期:2023年05月05日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:236
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202305032308189707 论文字数:44525 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本课题以航空发动机机匣包容性试验为研究背景,探究了机匣包容性试验的复材平板静态爆炸分离环节。

1  绪

1.1研究背景

1.1.1航空发动机机匣包容试验

航空发动机以其复杂的结构和技术原理被誉为人类工业文明的集大成者,它是维持飞机稳定飞行的强大动力源,其性能强弱是一个国家工业能力的集中体现。目前我国使用的航空发动机包含大量如叶片、涡轮等高速转子部件,若这些转子部件在高速旋转状态下受到意外撞击(如鸟撞)或材料因疲劳导致部件断裂等事故时,断裂的破片在高速离心载荷下会以极高的动能与发动机机匣发生碰撞,若机匣强度无法抵抗巨大的瞬间冲击,则飞出的碎片可能会直接穿透机匣撞击飞机的油路、控制电路或其它部位,威胁飞行安全,严重时会引发机毁人亡的灾难[1][2]。这类事件被称为航空发动机机匣非包容性事件。

在美国NASA航空航天局对发动机包容性试验公布的大纲中,对包容(containment)一词的定义为“Containment is the ability of the circumferential case structure of the engine to prevent penetration of failed elements subsequent to specified conditions of primary and secondary failures.”[3]。此处所涉及的“failed elements”,主要包含碎裂的发动机轮盘和转鼓环或者断裂飞脱的叶片这两种情形[4]。目前全球各个航空实力强劲的国家对发动机机匣面临的包容性问题都非常重视,不管是军用发动机还是民用发动机,都严格制定了一系列的文件对机匣的包容性做出了规定。目前机匣包容性试验通常按照四个步骤进行[5-8]。第一步为高速弹体撞击机匣试验,第二步为高速旋转状态下的单叶片飞脱试验,第三步是发动机整机台架试验,第四步是在室外试车台上进行真实发动机风扇叶片的机匣包容试验。从发动机运转状态可以分为静态试验和动态旋转试验,静态试验主要解决如何使叶片在指定部位断裂的问题,在进行静态试验时通常选用和发动机风扇叶片同材料的碳纤维增强复材平板来代替,可以在一定程度上减少试验成本并且达到高度一致的试验结果。动态旋转试验是在成功完成静态试验的结果上,解决风扇叶片在高速旋转状态下,在指定位置和指定的角度范围内断裂飞脱,并且撞击机匣,验证机匣能否将断裂的叶片包容,若叶片被成功包容,便可获取国家航空管控部门颁发的适航许可证。

1.2国内外研究现状

1.2.1包容性试验研究现状

国外从1960年对航空发动机机匣包容性试验进行初步研究工作。在1970年,美国已率先全面展开对此项工作的细致研究,主要是采用将试验和数值分析相结合的方式探究机匣材料的力学性能以及包容能力。国内于1990年开始着手准备航空发动机机匣包容性试验的相关研究,其中浙江大学高速旋转机械实验室最先对叶片采用了预制裂纹法进行机匣包容性试验,并取得了阶段性的成果。

Martino[13]等人在发动机轮盘上采用预制裂纹法进行了21次包容性实验,并率先制定了机匣包容性试验的相关标准。C.L.Stotler和A.P.Coppa[14]设计开展了以钛合金叶片撞击不锈钢包容环的打靶试验,借助高速摄影机记录了不锈钢包容环的整个损伤过程。Gary.D.Roberts等[15]对复合材料机匣进行了完整的高速弹丸撞击试验,验证了机匣的包容性,其呈现的损伤模式表明复合材料在弹丸高速冲击作用下机匣背部发生了大量分层和撕裂现象,同时提出弹丸未穿透和完全穿透机匣之间应该存在一个速度范围。Rolls-Royce公司顺利完成了TRENT900型号发动机的机匣包容试验,在叶片达到目标转速时引爆叶片根部炸药,叶片断裂飞脱最终被机匣成功包容。由于试验复杂,且叶片为RR公司所能提供的最大叶片,因此本次试验被视为TRENT900包容性研究的标识性事件[16]。

龚梦贤[17]等人简化了机匣包容性试验的叶片上数量,得到了单个风扇叶片断裂飞脱后与机匣撞击时的瞬时应变响应,为包容性试验预测了有限元计算模型,奠定了国内开展包容性试验的基础。张伯熹[18]利用预制裂纹法完成了机匣包容性试验,借助高速摄影仪等手段,实时记录叶片断裂飞脱后与机匣的相互作用过程中,并建立相关有限元模型,对飞脱过程进行仿真,由仿真数据得出了撞击过程中能量的具体分配。李娟娟[19]等通过预制裂纹法多次进行了发动机轮盘碎片撞击不同厚度圆环的包容性试验,并与数值模拟相结合,发现在轮盘碎片的高速撞击作用下,圆环壁厚较薄时失效模式包含剪切、拉伸、整体弹塑性变形,圆环壁厚较厚时仅出现整体弹塑性变形。吕登洲[20]使用线性聚能切割器完成了对钛合金叶片定速爆炸飞脱试验,研究发现叶片在旋转离心载荷和聚能射流共同作用下断裂,转速精度控制较高。

2  爆炸分离方案及数值仿真方法

2.1接触式爆炸分离方案

接触式爆炸指利用条状或柱状的炸药包起爆后产生的冲击波、高温高压爆生气体对目标介质直接做功而造成破坏。此类方法在实际工程中有着极为广泛的应用,如高耸建筑物的爆破拆除[34,35]、事故沉船的水下爆炸分离解体[36-37]等,由于爆炸冲击波以及爆炸产物的运动具有不定向性,因此接触式爆炸作用下介质所呈现的损伤模式多为花瓣状的大面积破裂[38]。

对于炸药在目标介质表面上的接触爆炸,已有众多专家和学者进行过相关研究,并提出相应的理论公式。

复合材料平板静态试验所用平板尺寸为120mm×120mm×15mm,爆破工程上所使用的条形药包一般承担着规模较大的爆破任务,对于复材平板这样的小尺寸目标介质,可直接利用工业导爆索作为做功介质对平板进行接触式爆炸分离,所用工业导爆索药芯主要成分为黑索金,药量约为12g/m,直径为6mm。

2.2线性金属聚能射流分离方案

2.2.1聚能效应及装药结构

“聚能”表示具有相同性质的某种效应经过多次的叠加或者累积后得到相应的增强或放大。在炸药起爆后,爆炸能量一般朝着四面八方扩散,而“聚能”能将爆炸能量的传播集中在某一个特定方向,大大加强在该特定方向上的局部毁伤作用[41,42]。在装药的一端开挖一个锥形空穴,通常称为聚能凹槽,可以起到聚集爆炸能量、提高爆炸产物能量密度的效果。炸药被起爆之后,爆轰波传播至锥形空穴顶端,在空穴轴线方向上的爆炸效应会更加强烈,形成气体聚能射流,如果在锥形空穴内表面上固定一个薄层金属罩,可使爆炸能量转化为金属罩的动能,形成细长的金属聚能射流[43],可极大提高对目标介质的破坏能力。

聚能装药根据其结构可分为两种:锥形聚能装药和线性聚能装药[44],分别如图8和图9所示。锥形聚能装药主要用于反装甲弹药之中,在爆炸产生的能量作用在锥形药型罩时重新分配,锥形药型罩形成一条细长的圆柱体,以便穿透装甲。线性聚能装药是长条型的平面对称装药,药型罩为楔形状,如今逐渐应用于工程技术领域,炸药爆炸时楔形药型罩在高压作用下被压垮,药型罩内侧在对称面发生碰面汇聚,最终形成片状的“聚能刀”,即线性聚能射流[45],主要针对目标介质的定向切割,因此可用于复材平板的爆炸分离。


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3 接触式爆炸分离研究 ................................... 19

3.1复材平板开孔法 ................................ 19

3.1.1试验方案 ................................. 19

3.1.2试验结果 ........................................ 20

4 复材平板线性聚能射流分离法 ................................... 41

4.1线性聚能装药破甲理论 ............................... 41

4.2线性聚能切割器结构正交设计 .............................. 45

5 预拉力下爆炸分离碳纤维增强复合材料平板研究 .................................. 55

5.1预拉力施加装置设计 .................................. 55

5.2试验方案设计 ................................. 56

5   预拉力下爆炸分离碳纤维增强复合材料平板研究

5.1预拉力施加装置设计

根据上述章节所确定的最终爆炸分离方案,选用线性聚能射流的方式对施加预拉力状态下的复材平板进行爆炸分离试验。预拉力爆炸分离试验所选用的平板尺寸为240mm×240mm×15mm和240mm×240mm×25mm,旋转试验台转速约为4000rad/min,以15mm厚度的平板为例,被分离后飞脱部分的质量m=0.674kg,质心半径r=60mm,当转速达到n=4000rad/min时,平板飞脱部分引起的离心力大小为:

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6  结论与展望

6.1结论

本课题以航空发动机机匣包容性试验为研究背景,探究了机匣包容性试验的复材平板静态爆炸分离环节。本文设计了炸药接触式爆炸分离和线性金属聚能射流切割两大类方案,可细分为侧向开孔法、法向开孔法、导爆索固定表面切割法、上下开槽法以及线性金属聚能装药法,通过将每种分离方法的数值模拟和具体试验相结合,确定了以线性金属聚能装药法为最终的分离方案,并对复材平板施加2500N的预拉力来近似代替叶片旋转时的离心力,成功完成了复材平板静态爆炸分离试验的所有环节,达到了预期目标。现将全文所得结论汇总如下:

(1)平板法向开孔法由于装药的长径比较小,较多的