突加高能载荷作用下航空发动机结构动态响应及安全性综述

航空发动机在服役期间可能遭受鸟撞、叶片丢失等突加高能载荷的作用,造成发动机整机/部件动力学特性恶化和关键构件的损伤,危及发动机的结构安全性。本文从突加高能载荷复现方法与传递规律、突加高能载荷作用下转子/整机结构响应研究、突加高能载荷作用下关键构件损伤机理三个方面综述了现有研究工作,并针对近年来发展的抗突加高能载荷的安全性设计方法进行了探讨,最后分析了突加高能载荷问题的科学本质及发展趋势,为突加高能载荷作用下航空发动机安全性设计提供了重要参考。     

发动机整机鸟撞试验推力销瞬态规律研究

为了探寻鸟撞瞬间航空发动机推力、垂向载荷的时域波形、频率的变化规律,采用时域波形分析和冲击响应谱分析方法对某发动机整机鸟撞试验过程中推力销瞬态推力和垂向载荷进行分析。通过对比分析推力与冲击力发现,鸟撞瞬间推力显著变化的主要原因是叶片攻角和流场特性的突变,并非冲击力。该规律性结论可为外物撞击发动机风扇叶片研究提供参考。     

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1 000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8 525 r/min;基于显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH 建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明：大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。     

鸟撞工况下HCA动态拓扑优化整级叶片的数值模拟

航空领域中飞机发动机在满足抗鸟撞性能的前提下,实现轻量化是关键问题之一。针对航空发动机冷端风扇叶片,基于HCA算法的动态拓扑优化方法对叶片实现进一步减重,为了验证该动态优化方法的有效性,建立了鸟撞航空发动机整级叶片冲击动力学有限元模型,模拟受气动与离心载荷作用下高速稳定旋转的发动机风扇叶片遭受鸟体撞击的瞬态响应过程。基于LS-DYNA软件平台,对考虑了鸟撞的多工况、多约束条件下叶片的动态优化结果与优化前叶片的多项动态响应指标进行了对比分析,证明了HCA动态拓扑优化方法比传统叶片轻量化方法更为优秀,在满足适航条例强度要求的同时可使叶片减重比达到37.9%,论证了在叶片轻量化设计上基于HCA算法的动态拓扑优化方法的可行性与优越性。     

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

CFM56-5B型发动机风扇叶片鸟撞有限元仿真

针对CFM56-5B型发动机风扇叶片受鸟击问题,目前常采用实验和数值仿真两种方法,前者因成本条件客观问题难以实现,因此本文采用数值仿真来深入研究这一难题。本文运用CATIA三维软件进行建模,最大程度与实际风扇叶片相符,鸟体则采用目前应用广泛的椭球体流线型模型,运用LS-DYNA隐式求解方法对叶片进行离心应力初始化,建立了鸟撞叶片的数值计算模型,分析了鸟撞叶片的动态响应,通过大量仿真,得出鸟撞叶片的机械损伤程度与鸟的速度、受撞击位置之间的关系,为发动机风扇叶片的抗鸟撞设计提供帮助。     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

鸟撞击的载荷因素对叶片响应的影响

本文以矩形悬臂板模拟真实叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。通过计算多个算例进行分组比较,分析了鸟撞载荷的冲量传递,加载持续时间,加载位置,载荷的空间分布等不同载荷因素对叶片响应的影响。为鸟撞击载荷过程的合理简化提供了依据。      

实体元空心叶片鸟撞流固耦合 研究及数值模拟

针对大涵道比航空发动机工作过程中常见的鸟撞问题,基于MSC.Dytran软件,研究了实体元平板鸟撞流固耦合数值模拟方法;在此基础上,建立了鸟撞实体元空心叶片转子级有限元模型,模拟了叶片遭受鸟撞发生失效的过程,并进行相应计算。结果表明:鸟体密度、叶片的屈服应力和硬化模量对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较大,且屈服应力和硬化模量的增加分别会提高和减小恒定流动的应力峰值;鸟体体积模量对叶片应力响应的影响较小;叶片的弹性模量的增加对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较小,但会显著提高恒定流动的应力峰值。