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CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

航空学报 2024年第7期45卷 270-282页

作者：贾文斌方磊张根史剑何泽侃宣海军浙江大学能源工程学院杭州310027 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

与碳纤维相比,碳纳米管(CNT)具有更高的力学性能和更低的密度,是理想的树脂基复合材料增强相,在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲(SENB)试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长... 详细信息

与碳纤维相比,碳纳米管(CNT)具有更高的力学性能和更低的密度,是理想的树脂基复合材料增强相,在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲(SENB)试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理,制备出SENB试件进行断裂韧性实验,定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响,提出断裂韧性优化方案。研究结果表明:界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系;相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降,即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大;弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降;强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降;当断面的CNT拔出和拔断的占比相近(即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断)时断裂韧性最大。

关键词：界面长度界面C—C键密度 CNT复合材料断裂韧性优化设计

三维织物复合材料高速冲击性能和损伤机制研究

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复合材料科学与工程 2024年第5期 43-51页

作者：张根何泽侃宣海军毛润丰贾文斌中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500 浙江大学能源工程学院杭州310027

三维织物复合材料在航空航天抗冲击结构领域有较好的应用潜力。本文采用钛合金圆柱弹和三维织物复合材料平板开展了30余次直线打靶试验,弹体速度范围为160~280 m/s,获得了弹回、嵌入、贯穿等不同的冲击试验结果和复合材料靶板损伤形式,... 详细信息

三维织物复合材料在航空航天抗冲击结构领域有较好的应用潜力。本文采用钛合金圆柱弹和三维织物复合材料平板开展了30余次直线打靶试验,弹体速度范围为160~280 m/s,获得了弹回、嵌入、贯穿等不同的冲击试验结果和复合材料靶板损伤形式,根据试验结果分析了三维四向编织、三维五向编织、三维正交机织三种不同结构复合材料的冲击性能和损伤机制,并进行了对比差异分析。研究发现三种结构靶板受弹体冲击后损伤情况类似,撞击点局部出现纤维断裂拔出和基体开裂,三种结构均没有出现分层。三维四向编织结构损伤区域呈锐角十字形,损伤扩展沿编织方向;三维五向编织结构和三维正交机织结构损伤区域呈菱形,损伤扩展沿90°和0°方向。比较本文三种结构平板试验件,发现三维正交机织结构拥有最高的弹道极限,并且损伤区域面积最小。

关键词：三维编织/机织复合材料打靶试验冲击性能损伤机制

空气涡轮起动机包容性数值仿真与结构优化设计方法研究

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推进技术 2024年第6期45卷 209-216页

作者：刘建新何泽侃张亚楠欧阳志高米栋宣海军中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002 浙江大学能源工程学院浙江杭州310027

运输类飞机适航条款明确规定空气涡轮起动机等含高能转子的设备必须具备足够的轮盘破裂包容能力,但国内相关单位普遍缺乏空气涡轮起动机包容结构的正向优化设计方法。为解决该问题,本文采用有限元数值仿真方法开发出多参数优化的自动化... 详细信息

运输类飞机适航条款明确规定空气涡轮起动机等含高能转子的设备必须具备足够的轮盘破裂包容能力,但国内相关单位普遍缺乏空气涡轮起动机包容结构的正向优化设计方法。为解决该问题,本文采用有限元数值仿真方法开发出多参数优化的自动化计算软件平台和流程,通过建立包容环结构的多参数实验设计(Design of Experiments,DOE)样本数据库,根据样本数的优化结果构建Kriging近似模型,并利用有限元计算获得最优的结构设计参数。该方法选取U形包容环截面的厚度δ,槽宽a,槽深h和槽缘宽s等参数进行优化,采用数值仿真和试验验证相结合的方式进行对比分析。结果表明,优化后的包容环径向变形量可达到29.7%,相比于优化前的18.9%具有明显提升;优化后的包容环径向变形更充分、吸能效果更好,在相同包容性条件下减重效果高达38%。通过采用本文提出的结构优化设计方法,实现了某型空气涡轮起动机包容环的正向优化设计,该方法可用于在役空气涡轮起动机包容环的优化与新型号空气涡轮起动机包容环设计。

关键词：空气涡轮起动机包容性正向设计数值仿真多参数优化

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CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

航空学报 2023年

作者：贾文斌方磊张根史剑何泽侃宣海军南京航空航天大学能源与动力学院中国航发四川燃气涡轮研究院浙江大学能源工程学院

与碳纤维相比，碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度，是理想的树脂基复合材料增强相，在航空航天领域具有广阔应用前景。本文提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺，以及微纳观结构和参数的测量方法... 详细信息

与碳纤维相比，碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度，是理想的树脂基复合材料增强相，在航空航天领域具有广阔应用前景。本文提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺，以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理，制备出SENB试件进行断裂韧性实验，定量分析微纳观参数界面长度和C-C键密度对宏观断裂韧性的影响，提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C-C键密度和臭氧处理时间呈线性关系；相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降，即存在临界界面C-C键密度使得复合材料的相对增韧率最大；弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降；强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降；当断面的CNT拔出和拔断的占比相近时，即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断，断裂韧性最大。

关键词：界面长度界面C-C键密度 CNT复合材料断裂韧性优化设计

某航空发动机燃气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究

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机械强度 2022年第4期44卷 1013-1016页

作者：章的钱正明米栋宣海军赵勇铭中国航发湖南动力机械研究所株洲412002 浙江大学能源工程学院高速旋转机械实验室杭州310027

针对目前燃气涡轮叶片更多依赖于后期整机长试才能集中暴露设计不足的问题,以某型发动机燃气涡轮叶片为例,开展了燃气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究。首先,在典型循环下开展燃气涡轮叶片应力应变分析,确定了该燃气涡轮叶片的主要失效模式... 详细信息

针对目前燃气涡轮叶片更多依赖于后期整机长试才能集中暴露设计不足的问题,以某型发动机燃气涡轮叶片为例,开展了燃气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究。首先,在典型循环下开展燃气涡轮叶片应力应变分析,确定了该燃气涡轮叶片的主要失效模式是以应变疲劳控制的低循环疲劳破坏,根据线性损伤累积原理,预测了燃气涡轮叶片的低循环疲劳寿命。然后,创新的提出了一种在旋转试验台实现涡轮叶片低循环疲劳试验的设计方法,采用开环式电磁感应线圈加热叶片,通过热传导实现带温度梯度的燃气涡轮转子温度场,并根据应变等效原则,确定了燃气涡轮转子试验转速。试验结果表明,燃气涡轮叶片预测寿命在5倍寿命分散带以内,且部件试验叶片裂纹位置与整机试验结果吻合。

关键词：航空发动机涡轮叶片低循环疲劳寿命预测试验设计

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高能转子轮盘包容机理和包容环结构优化

高压物理学报 2022年第6期36卷 68-74页

作者：刘志强鞠晓蓉宣海军陈利强何泽侃中国航发商用航空发动机有限责任公司上海201306 浙江大学能源工程学院浙江杭州310027 中航工业金城南京机电液压工程研究中心江苏南京211106

为研究高能转子轮盘的包容机理,加工了预制裂纹的试验轮盘,在高速旋转试验台上进行高能转子轮盘的包容性试验,采用非线性显式动力学商用软件对高能转子包容性进行数值仿真。试验结果和仿真分析结果表明,轮盘碎片与包容壳撞击后,撞击区... 详细信息

为研究高能转子轮盘的包容机理,加工了预制裂纹的试验轮盘,在高速旋转试验台上进行高能转子轮盘的包容性试验,采用非线性显式动力学商用软件对高能转子包容性进行数值仿真。试验结果和仿真分析结果表明,轮盘碎片与包容壳撞击后,撞击区域和边缘材料分别受压缩和剪切作用,如果局部的穿孔失效没有发生,则碎片是否逃逸由壳体材料撞击区和延伸区域的拉伸应变能决定。以某空气涡轮起动机为例,讨论了轮盘包容环厚度与选材,证明了以1.15倍临界包容厚度值作为安全系数确定工程许用包容环厚度的设计方法,通过比较不同材料包容环的包容能力,得出用高极限强度和高延伸率的材料作为包容环材料能够实现明显减重。研究结果对高能转子轮盘的包容结构设计具有指导意义。

关键词：高能转子轮盘包容包容环结构优化

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航空发动机复合材料机匣叶片包容性研究

工程力学 2013年第B6期30卷 314-319页

作者：刘璐璐宣海军张娜浙江大学工学部化工机械研究所杭州310027

为研究复合材料机匣抵抗飞断叶片的包容能力及其损伤破坏机理,在高速旋转试验台上进行缩比模型试验,并采用显式瞬态动力学软件对复合材料机匣的包容机理进行了分析。通过分析叶片与机匣的撞击、击穿过程,研究了复合材料机匣包容机理;通... 详细信息

为研究复合材料机匣抵抗飞断叶片的包容能力及其损伤破坏机理,在高速旋转试验台上进行缩比模型试验,并采用显式瞬态动力学软件对复合材料机匣的包容机理进行了分析。通过分析叶片与机匣的撞击、击穿过程,研究了复合材料机匣包容机理;通过分析机匣壁厚对机匣破坏方式与包容能力的影响,获取了机匣壁厚与能量吸收的关系。结果表明:飞断叶片与复合材料机匣的撞击过程包含3次撞击,复合材料机匣在内壁与外壁的破坏方式显著不同;随壁厚增加,叶片发生严重的弯曲变形,且机匣能量吸收呈指数倍增加。

关键词：复合材料叶片包容包容性试验数值仿真航空发动机