一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法技术

本发明专利技术属于机械设计技术领域，具体涉及一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法。本发明专利技术的技术方案如下：基于改进的Gibson理论、Halpin

【技术实现步骤摘要】
一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法


[0001]本专利技术属于机械设计
，具体涉及一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法。

技术介绍

[0002]航空发动机的机匣需要在高温、高压和高转速等极端条件下稳定、高效运转，在此极端载荷下工作，叶片和转子等发动机部件常常面临疲劳、过热、材料缺陷和外部撞击等问题，从而导致磨损、破坏和失效等严重故障。特别是当叶片断裂并带着巨大的能量甩出时，若机匣不能包容碎片，高速碎片将穿透机匣，不仅会对机舱设备造成损害，还会严重威胁飞行安全，甚至导致机毁人亡的严重空难。然而，目前对泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯机匣的研究还处于起步阶段，缺乏对该新型增强蜂窝夹芯机匣开展包容特性和能量吸收特性分析研究。为此，有必要提出一种对于新型增强蜂窝夹芯机匣的包容特性和能量吸收的计算分析方法，以满足高性能航空发动机对新型复材机匣包容性能和抗冲击性的迫切需求。
[0003]为有效地进行复合材料机匣在低速或高速冲击下的吸能与包容特性分析计算，许多科研工作者通过基于实验测试技术的经验公式研究了机匣的包容吸能特性。一些研究人员，设计了在低速冲击下的预测失效模型，例如：范志强等(南京航空航天大学学报,2006,38(5):551
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556.)基于接触冲击分析技术的有限元软件LS
‑
DYNA对机匣包容性进行了数值模拟，但是没有考虑应变率效应对机匣包容性计算的影响，并且面对更先进、结构更复杂的新型增强蜂窝夹芯机匣，该方法存在明显的不足。Sachse等(Journal of Sandwich Structures&Materials,2014,16(2):173
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194)通过实验研究了纳米填料对具有纳米增强泡沫芯的玻璃纤维夹层板的低速冲击和准静态压缩特性的影响，但是不能建立考虑机匣的能量吸收与包容特性的计算模型。利用实验和仿真的方法，专利CN201810625767.1提出了一种高速冲击载荷下聚碳酸酯薄板大变形韧性破坏问题有限元模型，分析了冲击速度和冲击角度对薄板变形破坏形态的影响规律，但是该模型没有考虑机匣的能量吸收和包容能力。刘璐璐等(航空发动机,2019,45(1):76
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82.)并基于ANSYS/LS
‑
DYNA进行了瞬态动力学有限元分析来预测的机匣损伤形状、尺寸以及叶片残余速度，但是该模型仅适用于各项同性的金属机匣，并未考虑各项异性的复合材料机匣的影响，且不能针对结构复杂的新型增强蜂窝夹芯机匣。专利CN202011536091.2提供了一种叶片偏移丢失的机匣包容性分析方法，但是该方法不能求解发生非包容时的弹体剩余速度。专利CN202111392767.X设计了一种基于剪切速率匹配的STF
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Kevlar织物软壁包容机匣设计方法。通过织物能量吸收值与该种复合织物的面密度的比值获得每种复合织物的弹道性能指数，但是该方法的局限性在于仅通过试验测得的数据进行计算，不能计算是否包容和计算速度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与
包容特性分析方法，能够准确的预测泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣在高速冲击载荷下的吸能与包容特性。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、建立含高速弹体、泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的高速冲击有限元模型；泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣包括增强蜂窝芯层、纤维/树脂层和粘接层；
[0008]步骤2、确定增强蜂窝芯层的材料参数，应用改进的Christensen失效准则描述增强蜂窝芯层的损伤模式；
[0009]步骤3、依据纤维/树脂层的应变率效应，应用三维Hashin失效判别准则和最大应变判据，描述纤维/树脂层的损伤模式；
[0010]步骤4、应用二次分离准则和BK(Benzeggagh
‑
Kenane)混合损伤准则，描述粘接层的损伤模式；
[0011]步骤5、利用Fortran语言编写增强蜂窝芯层、纤维/树脂层和粘接层的损伤演化VUMAT子程序；
[0012]步骤6、对VUMAT子程序进行迭代计算，实现并完成整个冲击过程；
[0013]步骤7、经过冲击过程计算后，获得结构在高速弹体冲击下的损伤模式、面密度吸能和弹体剩余速度。
[0014]进一步地，所述的高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，所述步骤1中包括：
[0015]步骤1.1基于有限元软件ABAQUS建立含高速弹体、泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的高速冲击有限元模型；以机匣底边的圆心建立o
‑
xyz坐标系，其中x轴方向为机匣结构的径向，y轴方向为机匣结构的轴向，z轴方向垂直于xoy面；高速弹体的冲击速度方向为沿着机匣结构径向方向由机匣内侧指向机匣外侧；在泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯建立局部坐标系，u、v、w分别代表蜂窝夹芯上任意一点的轴向位移、周向位移、法向位移；
[0016]步骤1.2分别设置机匣的材料、约束边界条件、粘接层的铺设方式；设高速弹体质量为m
b
、长度为l、半径为r，在高速弹体的参考点R
b
处施加初始冲击速度，高速弹体的冲击作用在蜂窝夹芯圆柱壳结构的内表面的R
s
点；设机匣内径为R，长度为L，厚度为H，增强蜂窝芯层的单胞长、宽和高分别为l
u
、l
v
和l
w
，蜂窝的侧长、边厚和特征角分别为l
c
、t
c
和α
r
。
[0017]进一步地，所述的高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，所述步骤2中包括：
[0018]步骤2.1确定增强蜂窝芯层的材料参数；
[0019]步骤2.1.1基于根据改进的Gibson理论，设增强蜂窝芯层的等效弹性模量为：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]式中，E
cu
、E
cv
、G
cuv
、G
cvw
和G
cuw
分别表示增强蜂窝芯层等效模型的u和v方向的杨氏模量和uov、vow、uow平面的剪切模量，E
ii
(i＝1,2,3)为制作增强蜂窝芯层的纤维布的不同纤维主轴方向的杨氏模量，G
ij
(i,j＝1,2,3)为对应的剪切模量和泊松比；
[0027]步骤2.1.2计算出增强蜂窝芯层的等效密度ρ
c
为：
[0028][0029本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立含高速弹体、泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的高速冲击有限元模型；泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣包括增强蜂窝芯层、纤维/树脂层和粘接层；步骤2、确定增强蜂窝芯层的材料参数，应用改进的Christensen失效准则描述增强蜂窝芯层的损伤模式；步骤3、依据纤维/树脂层的应变率效应，应用三维Hashin失效判别准则和最大应变判据，描述纤维/树脂层的损伤模式；步骤4、应用二次分离准则和BK混合损伤准则，描述粘接层的损伤模式；步骤5、利用Fortran语言编写增强蜂窝芯层、纤维/树脂层和粘接层的损伤演化VUMAT子程序；步骤6、对VUMAT子程序进行迭代计算，实现并完成整个冲击过程；步骤7、经过冲击过程计算后，获得结构在高速弹体冲击下的损伤模式、面密度吸能和弹体剩余速度。2.根据权利要求1所述的高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，其特征在于，所述步骤1中包括：步骤1.1基于有限元软件ABAQUS建立含高速弹体、泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的高速冲击有限元模型；以机匣底边的圆心建立o
‑
xyz坐标系，其中x轴方向为机匣结构的径向，y轴方向为机匣结构的轴向，z轴方向垂直于xoy面；高速弹体的冲击速度方向为沿着机匣结构径向方向由机匣内侧指向机匣外侧；在泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯建立局部坐标系，u、v、w分别代表蜂窝夹芯上任意一点的轴向位移、周向位移、法向位移；步骤1.2分别设置机匣的材料、约束边界条件、粘接层的铺设方式；设高速弹体质量为m
b
、长度为l、半径为r，在高速弹体的参考点R
b
处施加初始冲击速度，高速弹体的冲击作用在蜂窝夹芯圆柱壳结构的内表面的R
s
点；设机匣内径为R，长度为L，厚度为H，增强蜂窝芯层的单胞长、宽和高分别为l
u
、l
v
和l
w
，蜂窝的侧长、边厚和特征角分别为l
c
、t
c
和α
r
。3.根据权利要求1所述的高速冲击下泡沫及短切纤维增强的蜂窝夹芯包容机匣的吸能与包容特性分析方法，其特征在于，所述步骤2中包括：步骤2.1确定增强蜂窝芯层的材料参数；步骤2.1.1基于根据改进的Gibson理论，设增强蜂窝芯层的等效弹性模量为：步骤2.1.1基于根据改进的Gibson理论，设增强蜂窝芯层的等效弹性模量为：步骤2.1.1基于根据改进的Gibson理论，设增强蜂窝芯层的等效弹性模量为：
式中，E
cu
、E
cv
、G
cuv
、G
cvw
和G
cuw
分别表示增强蜂窝芯层等效模型的u和v方向的杨氏模量和uov、vow、uow平面的剪切模量，E
ii
(i＝1,2,3)为制作增强蜂窝芯层的纤维布的不同纤维主轴方向的杨氏模量，G
ij
(i,j＝1,2,3)为对应的剪切模量和泊松比；步骤2.1.2计算出增强蜂窝芯层的等效密度ρ
c
为：式中ρ
′
是用于制造蜂窝芯的纤维材料的密度；增强蜂窝芯层等效泊松比υ
cuv
和υ
cvu
为：为：式中υ
12
为制作增强蜂窝芯层的纤维材料的泊松比；步骤2.1.3为了等效短切纤维填充泡沫的力学性能，将Halpin
‑
Tsai微观力学模型与高斯随机场方案下封闭细胞固体假设相结合，得到了短切纤维填充泡沫的等效泊松比υ
f
(z)和杨氏模量E
f
(z)为：(z)为：式中，和分别为泡沫材料的泊松比和杨氏模量，为短切纤维的泊松比，η
L
为尺寸系数，μ
L
和μ
T
为材料系数，e0为孔隙率系数，e1为质量密度系数，ψ(z)为孔隙率分布系数，V
R
(z)为短切纤维在泡沫中的分布系数，a
1 a
2 a3孔隙拟合系数；上述相关变量的表达式如下：式中，l
R
和R
c
为泡沫中短切纤维的平均长度和半径，E
R
为对应的杨氏模量，p为短切纤维对泡沫基体的体积分数；步骤2.1.4基于MMTC等效弹性模量理论模型，得到的增强蜂窝芯层的杨氏模量和剪切
模量为：为：为：为：为：式中，A
cu
(x)、A
cv
(x)和A
cw
(x)分别表示增强蜂窝芯层单胞中蜂窝基体在u、v和w方向上横截面的面积，A
fu
(x)、A
fv
(x)和A
fw
(x)分别表示增强蜂窝芯层单胞中泡沫基体在u、v和w方向上横截面的面积；步骤2.1.5确定增强蜂窝芯层的等效密度ρ
′
c
为：式中，ρ
fc
为短切纤维填充泡沫的密度，V
f
为蜂窝中填充泡沫的比例，表示为：式中，h
f
为未发泡时液态泡沫高度，h
c
为蜂窝芯高度，其值与增强蜂窝芯层单胞的高度值相等，即h
c
＝l
w
；步骤2.2考虑增强蜂窝夹芯层的高速冲击损伤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，曹济川，王相平，杜少辉，王绍明，曹航，张海洋，柏汉松，韩方军，宋洋，骆海涛，李则霖，戴智含，孙凯华，刘小川，邓奕辰，张政伟，孙占彬，周晋，李凯翔，张飞，孙伟，马辉，李鹤，罗忠，韩清凯，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：