文摘

交织在一起的三维编织复合材料中纤维束全厚度方向,有优势的层间剪切强度高,断裂韧性和优异的抗冲击性,使他们一个有前途的材料应用领域的航空发动机风扇叶片。风扇叶片的鸟击的行为直接影响着发动机的安全,具有重要意义的动态响应和损伤机制研究鸟击负荷条件下的三维编织复合材料。摘要鸟类影响测试3 d四步编织复合目标是使用瓦斯枪系统进行。冲击速度的影响,影响位置和编织角对鸟类的影响行为进行了研究。结果表明,损伤和失败成为更严重的冲击速度增加。整个事件的影响可分为三个阶段,即。,local deformation stage, postflow impact stage, and bending deflection stage. The braided composite presents flexible characteristics and could bear extraordinary deformation during the bird impact. One distinguishing feature of bird impact damage is the destruction of the clamping root due to bending load caused by cantilever construction. The internal damage form at the impact area was mainly the separation of the fiber bundles from the matrix while the breakage of the fiber bundles and the crushing of the matrix play the primary role at the root part. The target plate impacted at the 70% height had the largest bending angle and most serious damage, followed by those impacted at the 90% and 50% heights. Both the appearance damage and internal damage extent are smallest for 45° braiding composites.

1。介绍

在发动机风扇叶片的设计,外物的影响一直是最大的担忧之一(1]。鸟击影响经常发生由于吸进气口的引擎在操作期间。据国际鸟罢工委员会,55致命事故,108架飞机被毁,277人死亡,据报道在1912年和2009年之间(2]。管理风险与鸟类吞食,航空当局开发安全法规对外国对象吞食通过涡轮发动机(3- - - - - -6]。严格要求风扇叶片的冲击造成的损伤和残余变形施加的发动机风扇叶片时保持足够的推力影响的一只鸟。

通常,全面的引擎只摄入测试,它是非常昂贵的,需要安全法规,以展示她们的能力,以便抵御鸟吸入和摄入后产生足够的信任。为了减少引擎开发的成本,一系列的模拟测试方法在实验室规模和分析方法适用于鸟击仿真开发(7- - - - - -9]。它现在已被广泛地接受那只鸟在高速冲击可以描述为一个流体因为鸟的组织力量是远远低于期间产生的压力事件的影响(10]。此外,鸟可以视为hemispherical-ended缸与类似的质量,密度,压缩系数(11]。基于这些理论,人工鸟被广泛研究的鸟类的影响。三种最常用的配置是hemispherical-ended圆柱,straight-ended缸,椭球体在不同长径方面比率。此外,一些鸟Hedayati和Ziaei-Rad提出的模型与实际的几何图形12],Hedayati和Sadighi [13],McCallum et al。14)使用CT图像和SPH方法显示比传统的折叠配置模型更准确的结果。这个模型还可以启用的调查方向的鸟鸟击事件的影响评价最具破坏性的场景。的相对影响人造鸟几何影响行为撞击一个灵活的航空发动机风扇叶片在LS-DYNA检查15),发现鸟和目标之间的初始接触面积影响事件的早期阶段有很大的影响冲击力峰值而长宽比影响不大。尽管冲击试验使用明胶鸟是一种有效的方法来评估风机叶片的耐冲击和破坏机制在鸟击事件,有限的文献是解决由于鸟影响测试的成本16]。此外,有限元分析是主要的调查方法(17- - - - - -19]。

炭纤维增强塑料复合材料(碳纤维增强塑料)最近应用的材料的风机叶片涡扇喷气发动机(20.,21),因为他们的重量轻,比强度高(22- - - - - -24]。有必要了解的详细特征鸟击这些复合材料风机叶片的抗冲击性。解决复合板块受到的冲击造成的变形和破坏软体,高速的影响复合材料风机叶片,Nishikawa et al。25)提出了一个数值模拟,发现复合从bending-induced基体开裂破坏的一个密集纤维断裂模式导致局部剪切穿孔随着冲击速度的增加。金等。26]和Siddens扬多尔[27)研究个体的初始退化的风机叶片被一只鸟和评估后续损害其他引擎组件使用任意场(ALE)方法和无网格拉格朗日粒子方法,分别。Heimbs和伯格曼(28)提出了复合材料正交异性层合板的动态行为暴露在拉伸和压缩预载在软体的影响。抗拉和抗压预压发现施加影响的破坏模式。

最新一代的使用三维编织复合材料风机叶片制造技术相结合的树脂传递模塑(RTM)的过程。优势低分层趋势,强度高、出平面刚度、和影响宽容,三维编织复合材料最近被认为是最有前途的一个结构复合材料(29日]。大量的研究已经进行了三维编织复合材料的力学性能30.- - - - - -34]。然而,行为的影响进行了一些研究,与准静态载荷下是不同的。人们已经发现,单轴拉伸模量和最大拉应力的三维编织复合材料与应变率线性增加(35,36]。吸收的能量也随着应变率的增加而增加,对应不同的损伤和能量吸收机制在准静态压缩和高应变率(37]。同样,李et al。38,39]报道了应变率强化效应和动态三维编织复合材料的韧性现象在纵向和横向压缩。研究人员发现,碳fiber-braided复合材料有良好的纤维/基体附着力和耐冲击在高速冲击。唐et al。40)得出结论,主要损害是破解包接口和intrabundle分层包折边位置附近的人家,而失败者在机制主要是纤维脱胶、分层、裂纹传播的树脂矩阵。徐和顾41)表明,三维编织复合材料的主要失效机制下高速剪切和压缩破坏影响的影响和广泛的紧张失败在远端。Jenq和莫42)和Jenq et al。43进行弹道测试事件影响速度从70 - 170 m / s和破坏模式是缩进,发现重大影响矩阵失败,并与轴向纤维断裂和编织机纤维纱撤军。高速冲击测试的研究上面提到的所有弹采用金属材料,这是完全不同的一个鸟击事件。

在当前,鸟击测试是进行三维碳/环氧编织复合目标使用瓦斯枪系统。冲击速度的影响,碰撞位置,对鸟类的影响行为和编织角的帮助下研究了高速相机和x射线图像系统。本研究的结果有助于anti-bird影响复合材料风机叶片的设计。

2。鸟击测试

2.1。测试设备

鸟在三维编织复合材料冲击试验与瓦斯枪系统进行了37毫米口径的速度范围50 m / s ~ 200 m / s。气体的原理图和照片枪测试装置如图1。弹丸冲击速度之间取得的测速仪系统安装枪枪口和目标。当弹丸穿过测速仪系统时,激光束的先后,产生电压触发信号的变换。时间间隔的两个触发信号和测速仪的距离,速度可以确定。高速视频12000帧/ s的速度被测试。这些照片提供了观察目标变形、弹轨迹,和弹体剩余速度的估计。

2.2。明胶鸟弹

人们普遍认为圆柱明胶鸟类的长宽比2:1,密度(950公斤/米3)和孔隙度为10%,适用于模拟真实的鸟类在高速流体特性的影响。明胶鸟类中使用这个测试是按照上述要求准备。测试鸟类直径25毫米和50毫米的长度。长度和直径的比例是2.0,建议通过引用(44]。明胶鸟的重量是23.3克。明胶鸟的小尺寸和重量大小的选择匹配瓦斯枪设备和萎缩平面目标对实际复合材料风机叶片高函道比涡扇发动机比例。此外,本研究的主要目的是深入下编织复合材料叶片的损坏和变形软体的影响和评估的影响冲击速度和碰撞位置,帮助anti-bird影响复合材料风机叶片的设计。

图2显示了明胶鸟和它的位置在木履。明胶鸟是用塑料薄膜包裹,以保持其形状。明胶鸟弹支持几个泡沫铝制木履。木鞋和弹丸由压缩空气推动和加速炮筒。弹丸发射速度是由空气压力决定。木鞋是捕获的炮筒木履分隔符,而弹推进和影响目标。碎片,散裂靶和弹体剩余速度,被逮捕的片段收集器。

2.3。复合目标

三维四步编织复合材料(三维编织复合材料)作为测试样本由12 k东丽T700碳纤维和基体材料TDE86环氧树脂(由天津京东提供),与纤维体积含量在60%至62%之间。复合标本与三种不同编织角,即。20°30°、45°,纯属捏造。编织复合材料板是矩形的尺寸为380毫米×180毫米×2毫米。不同编织角的三维钢筋结构呈现在图3。的部分放大视图显示了高度两个结的各种模式。模式的高度结减少随着编织角的增加。

为避免边缘效应,边际地区样品的两边都被切断了。然后,大型复合板块平均分割成4块每隔2毫米的目标。鸟影响测试的综合目标大小为189 mm×84 mm×2毫米,在矩形代表复合材料风扇叶片的特点。被限制在技术和成本,风扇叶片的结构特点,包括可变截面、3 d配置,和钛的边缘,不被认为是在这个研究。随着风机叶片的形式总是悬臂结构,测试标本夹在根中建议的那样引用(44,45),如图4。黑色代表了一部分测试复合标本和黄色部分是夹具。

众所周知,旋转鸟击测试需要大型和昂贵的测试设备和程序,导致极高的成本,很难评估新材料为风扇设计。相比之下,弹道冲击测试在一个静态的平板或刀片是一种有效、方便和有成本效益的方法,被广泛用于研究的动态响应和损伤阈值和评估不同的设计厚度和厚度等配置。弗里德里希(44]鸟击测试平面标本进行悬臂的方式安装在固定端支持。在我们的研究中,也有类似的测试程序。弹道冲击测试过程中,真正的鸟影响叶片的相对速度的矢量和鸟的轴向速度和切向速度的叶片在半径的影响。如前所述在一个开放的文学、变形和破坏机制在静态和动态情况下可能是完全不同的。特别是,美国宇航局格伦研究中心一直致力于确定静叶片试验过程,将有效地复制类似的结果在旋转测试。霍华德et al。19)比较仿真结果鸟击的各种不旋转叶片旋转叶片。一开始,预应力效应被认为是主要的影响因素。旋转叶片径向变化的应力场,没有复制径向变异的方法相当于旋转的情况下可以实现实验。因此,叶片技术加载的方式将匹配旋转叶片的应力条件的影响通过施加一个力通过电缆连接到叶尖或应用附加力通过质量在某种程度上叶尖。尽管各种程度的成功是获得点在预应力条件匹配的影响,叶片损坏是相似的,总是比旋转情况。相匹配的结果验证,预应力不足以保证类似的伤害。额外的尝试与一个旋转叶片旋转的重心影响鸟模型用相同的相对速度作为完整的旋转情况表明,旋转效应显著,有可能掩盖了预应力效应加强叶片。尽管承诺从数值方法获得结果,和实验还需要做更多的研究来验证它。此外,单个叶片的旋转,虽然容易得多比一个完整的旋转风扇阶段,仍然需要特殊气体炮系统中的旋转元素。射击的时机一只鸟的叶片在合适的时间和地点将会更加困难。 It would cost much more effort and money to modify the testing device and induce great risk of failure. Considering that it is not the goal of this work to replace the bird strike certification tests, which consider aspects such as the ability to continue operating at a reduced power level, but rather the goal is to determine the direct soft-body impact damage of 3D braided composites with different braiding angles and impact locations. Such a test could be used as a cost-effective screening test for new materials and fan designs that could then go further in the development cycle and eventually be tested in a rotating test.

2.4。描述的破坏形态

因为鸟影响弯曲载荷下的样品没有完全打破,x射线三维显微镜(diondo D5类型高分辨率x射线系统和服务)采用成像观察鸟的材料内部结构损伤破坏特性的影响。复合材料中构造的检查与28岁的空间分辨率μm,标本在不同部分的2 d图像。扫描区域被选为平方大小的50 mm。

3所示。动态行为和破坏机制

一系列鸟影响测试进行了三维编织复合材料的编织角20°。尤其是鸟的影响冲击速度和鸟类影响位置这种材料的动态行为和破坏特征进行了研究。调整速度的影响通过改变气体的发射压力枪,包括四个发射压力(0.4 MPa, 0.6 MPa, 0.8 MPa, 1.0 MPa),对应于弹丸速度100米/秒至200 m / s。为了解决影响位置的影响,选择了三个不同的位置,即,at the center of the target plate along the longitudinal 50%, 70%, and 90% heights, respectively. The test conditions of a 20° braiding angle are listed in Table1。B20-01和B20-09测试都测试相同的编织角(20°)在同一位置(高度50%)的影响。他们是相同的影响启动压力(0.4 MPa),但由此产生的冲击速度有一些差异由于入射粒子质量和影响姿势的轻微差异。事实上,B20-01 B20-07、B20-08 B20-09测试具有相同的测试条件有密切影响速度(117.5 m / s, 139.1 m / s, 142.2 m / s, 132.4 m / s,分别)。这四个测试速度的影响进行调查的影响。此外,鸟击测试进行了相同的启动压力30°、45°编织复合材料,这些测试也准备下一个测试。

3.1。冲击速度的影响

识别影响速度的影响,四个测试在同一位置不同冲击速度(50%高度)选择比较。图5显示的最大变形目标板在不同冲击速度高速摄影机拍摄的。通过相机测量高速图像测量软件由e2eSoft公司提供。水平和垂直位移的表面绘制在图5 (e),最大水平位移随时间的变化是绘制在图5 (f)。如图所示的高速照片,目标板会有明显的变形,当鸟的身体的影响。影响地区将出现一个隆起,影响区域的左右将屈服于中间。选择的最大水平位移如图4测试5(一个)- - - - - -5 (d)是25.4毫米、48.55毫米、74.74毫米、80.21毫米,分别。随着冲击速度的增加,面板的中间膨胀变大。特别是,结果两组鸟类以最高速度(B20-03和B20-04)表明,在鸟编织复合材料的材料特性影响,沿着厚度方向拉伸变形大,覆盖了鸟的身体像一张网。从图5 (f),这是发现的最大水平位移几乎随时间线性增加。测试的位移增长更快的冲击速度较高而变形的增长在这些测试较小的事件中速度慢得多。

图6显示了最终的变形和破坏形态的组合不同冲击速度下的目标。夹紧根放在右边。结果表明,鸟类影响损失的形式编织复合材料的全球偏转,当地膨胀的影响区域,脱落,纤维的断裂,界面脱胶,纤维撤军。的伤害和失败随着冲击速度的增加变得越来越严重。的变形影响区域的目标在B20-09测试基本恢复,和表面持平没有明显损坏的迹象,如图6(一)。在测试B20-02(图6 (b)),有明显的全球偏转和膨胀变形的影响。有两个弯曲曲线顶部叶片的一角,在纤维断裂和纤维/基体界面剥离发生在曲线的两端。在测试B20-03,由于鸟冲击速度的增加,沿着弯曲的损失曲线变得更加严重。角部分骨折和完全脱落,并从编织纱线的断裂表面解开粗加工如图6 (c)。失效模式是相似的在测试B20-04最高的冲击速度,如图6 (d)。目标被严重损坏影响点小块的片段。

鸟击损害的特点之一是夹紧根的毁灭。四个测试,所有板块断裂夹根除了B20-03测试,目标的偏转与纤维断裂和基体开裂严重。从照片被高速相机,发现三维编织复合目标熊非常弯曲荷载在根部分50%的高度影响时由于悬臂施工。在测试B20-3介质高冲击速度、复合目标骨折和脱落在角落,让鸟弹流的一部分,释放弯曲荷载施加在目标根在某种程度上。因此,B20-3目标提出了严重的弯曲损伤纤维断裂,但并没有完全坏了。也是值得注意的断裂表面非常干净整洁的B20-04最高速度的影响。这是因为鸟的身体以最大速度与目标板接触时间最短;目标根应力达到极限强度在较短的时间内,完全被毁。在其他测试更长的接触时间,纤维束的根源没有同时被破坏,导致锯齿形断裂表面。此外,没有明显的目标在测试B20-04中膨胀变形,测试的冲击载荷的影响区域发布由于过早断裂的根本目标。

鸟的影响过程影响三维编织复合材料是由高速摄像机,如图7(一)。提示和接触点的水平位移与时间也被绘制在图7 (b)。所有测试的影响过程类似,B20-02测试是作为一个例子。显然可以看出,这只鸟弹扩展后分开的木鞋由于其柔软的特性。鸟击过程中复合目标通常对应于典型的鸟击的四个阶段:最初的影响,压力衰减,恒流,流终止。鸟的身体遍布与目标板后的影响,表现出明显的流体性质。发现整个事件可以分为3个阶段的影响。第一阶段是当地的变形阶段,从接触时间0.41 ms。在这个阶段,膨胀变形区和胀形深度开发与集成的移动鸟弹。还发现,在这个阶段,几乎有水平位移为目标提示图形式7 (b)。第二阶段持续女士女士从0.41到1.50,也就是说,postflow影响阶段。在这个阶段,鸟弹流像液体的目标在一个广泛的范围。当地的膨胀变形深度继续增长到最高水平。尖端的水平位移和接触点随时间近似线性增加。第三阶段从1.50毫秒持续到最后,称为弯曲挠度的阶段。在这个阶段,结构响应中扮演主要角色。整个目标超过90°弯曲的根。可以看出,软体的影响变化很大,影响对象。鸟弹飞,接触后迅速传播与目标与冲击荷载施加相对面积大,而困难的对象作为一个刚体的冲击力专注于点的影响。

的内部损伤B20-08前后目标检测的影响,分别如图8。在这些测试中,鸟击速度相对较低(142.2 m / s);因此,目标的伤害几乎是肉眼看不见的。两个部分平行于表面的编织方向选择的影响。不同的亮度和色彩的x射线图像代表不同的密度,和更高的亮度就意味着更大的密度。碳纤维的密度(1760公斤/米³)和环氧树脂(1190公斤/米³)没有多少差异,目标之前的内部结构的影响在上面的两个数字相对密集,两者之间没有明显的界限。影响后,该地区在当地显示纤维束的边界,以及纤维束之间的颜色也比之前的影响,表明纤维/基体界面脱胶和纺织宽松的建设。表明,尽管明胶鸟的影响不会导致任何损害表面的目标,影响区域的内部结构发生了变化。材料的破坏形式主要是分离的纤维束矩阵。

特别是在测试B20-08中,目标的夹紧根没有骨折。内部损伤根部分是用x射线检测系统。图9显示了一个横断面和三维重建的根源B20-08目标后的影响。正如上面提到的,目标的根板固定在夹具和经历了明显的弯曲负荷的影响。从图可以看出9纤维束的破损和矩阵的破碎都是表面和内部目标。

3.2。不同影响位置的影响

图10显示了鸟撞击过程测试(B20-1、B20-05 B20-06)相似的影响在不同碰撞速度位置由高速摄影机拍摄的。相对较低的冲击速度,全球目标扮演的偏转在鸟击事件的主要行动。可以看出,最大的目标板的弯曲角是70%的最大高度(近90°),其次是90%高度(80°)和50%高度最小弯曲角(约50°)。高位置施加更大的弯矩影响的根本目标,使目标弯曲角的影响在70%的高度大于50%的高,而对于过高影响位置接近目标的上边缘,一个伟大的鸟弹流远离目标,导致较小的接触力和弯曲角。

目标的影响在所有这三个碰撞位置反弹后弯曲到最大角度,来回摆动,最后停在纵向方向。图11显示目标在90%的破坏形态的高度。目标的破坏形态的影响在不同的位置基本上是相似的。膨胀变形的影响区域恢复表面没有明显的损伤,和根的弯曲变形基本恢复。有折痕,纤维束断裂和基体开裂的表面。所不同的是,折痕只发生在夹紧以50%和90%的根高度情况下,额外的折痕在上部出现在目标的影响在70%高度由于最大弯曲角度。

图12显示内部x射线图像目标的横截面方向垂直于编织的中心的影响。图12(一个)显示了一个非击打式的目标(目标用于B20-09测试)与普通矩形截面。目标板的影响在不同的高度都有轻微变形鸟撞击之后但没有纤维束断裂。目标的主要损伤区域的固定以纤维束断裂和基体开裂由于大量弯曲。随着编织复合材料的变形特点,根不是完全破碎,仍然作为一个整体。

4所示。编织角的影响

在本节中,鸟击试验是进行复合材料编织30°、45°的角度找出影响anti-bird编织角的影响三维编织复合材料的能力。表中列出的测试条件2。

4.1。动态行为和破坏

图13显示了最终的全球挠曲变形和局部根损害目标板的不同编织角。可以看出20°编织角目标板在夹紧端骨折;同时,根断裂表面粗糙和纤维束的长度退出在断裂表面是不同的。相反,目标板30°、45°编织角转移严重但不破碎的夹紧。根是约17.3°的偏转角和13°30°、45°编织复合目标,分别。30°的两边折叠编织角的目标是不同的。影响表面上的折痕引起的拉伸破坏,主要与纤维断裂表面上,在背面上的折痕是由挤压损伤,主要与矩阵粉碎,纤维束和矩阵剥离。45°的折痕编织角目标板类似于30°,但以更少的伤害。它可以从赔偿损害程度是影响最小的45°编织复合材料,其次是30°。这是因为晶胞的大小随编织角,让更多的单位细胞排列在同一区域。 The relative tight braided structures of the targets with larger braiding angle could alleviate the damages induced by impact, enabling the composite target bear larger impact load. This is keeping with the punch shear test results reported in Reference [46],其中涉及到一个结论复合编织角表现出冲压剪切性能和更高的能量吸收增加。原因是归因于更紧凑的钢筋结构而言,更大的长度/宽度比椭圆截面和增强编织纱线之间的相互作用。

图14显示了45°的损害编织复合靶板在一个典型的鸟类的影响。目标板弯下腰的方向的影响。损坏的放大图根表明纤维束断裂的主要失效模式是和基体开裂。

图15显示了鸟撞击过程的30°编织复合材料板由高速摄像机拍摄的。在影响,目标板的最大弯曲角几乎超过90°。即使在这种情况下,目标的根可以恢复从极端变形状态,没有休息,表明编织复合材料具有良好的灵活性和断裂韧性。

4.2。内部损伤

由于没有可见的损伤影响的区域,x射线图像被用来探测目标的内部损伤与不同编织角,如图16。从图也可以看出,有一些小裂缝在30°、45°目标板而不是20°目标板。这是因为目标板的内部结构和较大的编织角是紧;因此,树脂更难完全渗透到纤维束之间的差距在树脂注塑生产过程中,形成小孔。依法赔偿观察从图13,内部损伤程度最严重的20°编织复合,紧随其后的是30°编织复合材料。中可观察到纤维束断裂20°编织复合目标。纤维束和矩阵界面剥离发生在30°编织复合目标而45°编织复合目标显示损害没有明显的影响。这也证明了编织角越大,损伤越小的目标,无论是在根固定结束或区域的影响。

5。结论

摘要明胶鸟击测试进行了三维编织复合材料的不同编织角。影响速度的影响,影响位置和编织角的鸟击损害进行了研究。是得出的主要结论如下:(1)20°编织复合材料,伤害和失败更严重的冲击速度的提高。纤维断裂和纤维/基体界面剥离损失主要发生在叶片的弯曲曲线在角落,可以从目标完全脱落。编织复合材料提出了灵活的特点和可能承担的变形在鸟像净影响。在影响点的最大水平位移增加从25.4毫米到戏剧性的80.21毫米,当冲击速度电梯从132.4 m / s, 211.5 m / s(2)鸟的身体作为流体材料在高速冲击过程和传播后联系目标板。整个事件的影响可分为三个阶段,即。,local deformation stage, postflow impact stage, and bending deflection stage. The horizontal displacement of the tip of the target lags for 0.41 ms in comparison to the impact point. One distinguishing feature of bird impact damage is the breakage of the fiber bundles and the crushing of the matrix of the clamping root due to bending load(3)目标板的影响在70%高度最大的弯曲角(近90°),其次是90%的高度(80°)和50%的高度(约50°)。更高的位置施加更大的弯矩影响的根本目标,使弯曲角增加。然而,过高影响定位结果在很大一部分鸟弹飞走了,导致较小的接触力和弯曲角。影响区域的膨胀变形和弯曲挠度根几乎完全恢复,留下折痕与纤维束断裂和矩阵的表面开裂(4)外观损伤和内部损伤程度都是最小的45°编织复合材料,其次是30°编织复合材料。根是约17.3°的偏转角和13°30°、45°编织复合目标,分别。因为单位细胞大小随编织角,更多的单位细胞可以安排在同一区域的行动。此外,更紧凑的编织结构使复合目标承受较大的冲击载荷;因此,复合材料编织角较大损害最小

数据可用性

测试数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号NS2016029)。