金屬-復(fù)合材料層板抗沖擊性研究

蘇 里，孫芳琦

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 第二研究室，沈陽 110015)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在工作中意外脫落時(shí)，葉片碎片會(huì)帶著巨大的能量被甩出，此時(shí)機(jī)匣若不能包容碎片，碎片會(huì)穿透機(jī)匣飛出，破壞飛機(jī)機(jī)艙、液壓管路、油箱及控制線路等設(shè)備，進(jìn)而導(dǎo)致油箱起火、操縱失靈等二次破壞，嚴(yán)重威脅飛行安全，甚至?xí)斐蓹C(jī)毀人亡的空難[1-4]，圖1為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣包容事故圖[4]。

隨著復(fù)合材料的出現(xiàn)與發(fā)展[5-8]，A.ASUNDI[9]等提出了一種可用于航空領(lǐng)域的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)——金屬-復(fù)合材料層板(Fiber-Metal-Laminate即FML)。這種結(jié)構(gòu)由具有高強(qiáng)度的鋁合金薄板和復(fù)合材料增強(qiáng)纖維組成，二者用環(huán)氧樹脂粘結(jié)。FML具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、較好的抗疲勞特性和損傷容限等特點(diǎn)，但這種結(jié)構(gòu)的抗沖擊性如何還有待考察。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容性研究主要包括三方面，如圖2所示。由于試驗(yàn)費(fèi)用昂貴且隨著計(jì)算機(jī)性能的快速提高，仿真研究已經(jīng)可以應(yīng)用到試驗(yàn)研究中的各個(gè)環(huán)節(jié)，在機(jī)匣設(shè)計(jì)初期，通常采用數(shù)值仿真的方法為機(jī)匣抗沖擊性試驗(yàn)研究提供參考和補(bǔ)充。

圖1 風(fēng)扇機(jī)匣包容事故

圖2 機(jī)匣包容性研究示意圖

本文通過ANSYS/LS-DYNA非線性有限元軟件[10-11]對(duì)葉片撞擊FML平板的損傷歷程進(jìn)行了仿真分析并討論了幾種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)FML平板抗沖擊性的影響。

1 分析模型

1.1 幾何模型

模擬葉片尺寸為50 mm×20mm×3mm,FML平板尺寸為160 mm×130 mm×4 mm。FML中復(fù)合材料以4層復(fù)合材料為1組，鋪層角為[0°/0°/0°/0°]，其中單層復(fù)合材料厚度為0.125 mm。

1.2 材料模型

仿真過程中，金屬采用隨動(dòng)塑性材料模型[12]，該模型是各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，且考慮失效，通過調(diào)整硬化參數(shù)來選擇各向同性或隨動(dòng)硬化。復(fù)合材料采用LS-DYNA軟件中的54號(hào)材料模型MAT ENHANCED COMPOSITE DAMAGE。該模型適用于各向異性復(fù)合材料，在判斷失效時(shí)采用CHang-CHang失效準(zhǔn)則[13]并且只對(duì)殼單元有效，通過設(shè)置殼單元厚度方向上的積分節(jié)點(diǎn)數(shù)來調(diào)整單層殼單元所模擬的復(fù)合材料層數(shù)。

模擬葉片為鈦合金TA11,FML中金屬為鋁合金2A70，復(fù)合材料為碳纖維T300/BMP-316，材料參數(shù)采用張科偉[14]及楊樂[15]研究中所用參數(shù)，見表1～3所示。

表1 TA11材料性能參數(shù)

1.3 有限元模型

金屬采用Solid 164單元，復(fù)合材料采用Shell 163單元，F(xiàn)ML平板為目標(biāo)體，模擬葉片為接觸體；FML平板兩端固支約束；模擬葉片與FML平板之間采用面-面侵徹接觸；FML層間采用面-面固連失效接觸，這種接觸可以有效模擬復(fù)合材料層板的分層失效，當(dāng)層間應(yīng)力達(dá)到或者超過預(yù)定值時(shí)即發(fā)生層間失效，失效之后層間接觸自動(dòng)轉(zhuǎn)換為普通面-面接觸。通過控制單一變量調(diào)整各控制參數(shù)，針對(duì)張科偉[14]和楊樂[15]所做的復(fù)合材料平板抗沖擊試驗(yàn)和金屬平板抗沖擊試驗(yàn)開展數(shù)值仿真，當(dāng)懲罰剛度縮放系數(shù)取值0.3、沙漏控制系數(shù)取值0.14、粘性阻尼VDC調(diào)節(jié)參數(shù)取值20和動(dòng)摩擦系數(shù)取值0.5時(shí)，仿真結(jié)果與兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果均有較好的一致性，所以本文也采取相同的控制參數(shù)，有限元模型如圖3所示。

表2 鋁合金2A70材料性能參數(shù)

表3 碳纖維T300/BMP-316材料性能參數(shù)

2 FML平板的沖擊響應(yīng)

2.1 損傷模式分析

建立3種平板模型，對(duì)比分析不同平板的沖擊損傷特征。包容事故中，高能碎片幾乎都以一定角度射入包容機(jī)匣，所以在數(shù)值仿真時(shí)，也將模擬葉片設(shè)置一定的入射角度(5°)，以便能夠更真實(shí)的反映出平板損傷情況。模擬葉片入射速度為160 m/s，金屬平板厚度為4 mm,FML中金屬與復(fù)合材料厚度均為2 mm，復(fù)合材料平板厚度為4 mm，如圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4 不同材料平板示意圖(注：黑色為鋁合金、白色為復(fù)合材料)

圖5為3種平板沖擊區(qū)域的損傷形貌。從圖5中可見，F(xiàn)ML平板與復(fù)合材料平板正面損傷面積基本相同，略大于金屬平板；FML平板與金屬平板背面損傷面積基本相同，明顯小于復(fù)合材料平板。在沖擊過程中，F(xiàn)ML平板與金屬平板以沖塞型失效為主，復(fù)合材料平板以花瓣型失效為主，F(xiàn)ML平板背面金屬可以有效抑制正面復(fù)合材料層板所發(fā)生的花瓣型失效，但背面金屬會(huì)略有變形。復(fù)合材料平板由于其脆性特點(diǎn)使其在非沖擊區(qū)域并沒有明顯變形，金屬平板的變形介于復(fù)合材料和FML平板之間。

圖5 不同材料平板沖擊損傷

2.2 入射速度的影響

為研究葉片入射速度對(duì)FML平板抗沖擊性能的影響，選取8種模擬葉片入射速度：130 m/s、140 m/s、150 m/s、160 m/s、170 m/s、180 m/s和190 m/s。模擬葉片入射角度為5°，F(xiàn)ML平板中金屬和復(fù)合材料厚度均為2 mm，如圖4b所示。

圖6為模擬葉片不同入射速度對(duì)FML平板吸收能量的影響，從圖6中可見，隨著葉片入射速度的增大，平板吸收能量先減小后增大，當(dāng)葉片入射速度為170 m/s時(shí)，平板吸收能量最少。圖7為不同入射速度下A點(diǎn)的位移響應(yīng)，A點(diǎn)位置如圖8所示。從圖7中可見，隨著葉片入射速度的增大，點(diǎn)A的位移最大值呈減小趨勢，振動(dòng)劇烈程度也趨于平緩，由此可見并不是振動(dòng)越劇烈，平板吸收的能量就越多，平板的能量吸收能力與葉片入射速度有關(guān)，在某一速度下可使平板吸收能量最少。

圖6 不同入射速度下平板吸收能量

圖7 不同入射速度下點(diǎn)A的位移響應(yīng)

圖8 A點(diǎn)位置示意圖

2.3 質(zhì)量比的影響

為研究質(zhì)量比對(duì)FML平板抗沖擊性能的影響，選取8種不同質(zhì)量比的FML平板，其中FML平板總質(zhì)量為1331.2g，復(fù)合材料質(zhì)量分別占總質(zhì)量的0%、12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%和100%，模擬葉片入射速度為160m/s，入射角度為5°，如圖4b所示。

圖9為不同質(zhì)量比對(duì)FML平板吸收能量的影響，從圖9中可見，隨著FML平板中金屬部分所占質(zhì)量比的逐漸增大，平板吸收能量也隨之單調(diào)增大，等質(zhì)量金屬平板吸收能量約是復(fù)合材料平板的2倍。這是因?yàn)樵贔ML平板中復(fù)合材料為各向異性材料，相比于金屬，其拉伸強(qiáng)度較高，剪切強(qiáng)度較低，而在沖擊過程中，平板主要受到來自葉片的剪切作用，所以隨著金屬含量的增多，F(xiàn)ML平板抗沖擊性也越好。圖10為不同質(zhì)量比下A點(diǎn)的位移響應(yīng)，從圖10中可見，隨著FML平板中金屬質(zhì)量比逐漸增大，點(diǎn)A的位移最大值也呈逐漸增大的趨勢，這是因?yàn)橄啾扔趶?fù)合材料，金屬具有更好的韌性。沖擊過程中，隨著金屬部分所占質(zhì)量比的逐漸增大，F(xiàn)ML平板的韌性越來越好，振動(dòng)越來越劇烈。

圖10 不同質(zhì)量比下點(diǎn)A的位移響應(yīng)

2.4 材料分布的影響

為研究材料分布對(duì)FML平板結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，選取4種不同材料分布的FML平板，平板等體積且等質(zhì)量，其中FML平板總厚度為4 mm，金屬和復(fù)合材料交叉分布在各層之間，兩種材料總厚度均為2 mm，如圖11所示。模擬葉片入射速度為160 m/s，入射角度為5°。

表4為不同混合比下FML平板吸收能量及葉片剩余速度，從表4中可見，隨著混合程度逐漸增大，葉片剩余速度逐漸降低，F(xiàn)ML平板吸收能量逐漸增大，當(dāng)混合比達(dá)到5∶4時(shí)，葉片開始反彈。圖12為不同混合比下A點(diǎn)的位移響應(yīng)，從圖12中可見，F(xiàn)ML平板中復(fù)合材料與金屬的混合比對(duì)平板振動(dòng)的劇烈程度有較大影響，混合程度越高，平板振動(dòng)越劇烈。在0.75 ms之后，model3-2在點(diǎn)A的振動(dòng)劇烈程度明顯大于model2-1，這也是model3-2吸收能量大于model2-1的原因，對(duì)于model5-4來說，無論是位移最大值還是達(dá)到位移最大值后的振動(dòng)劇烈程度，model5-4均要大于model3-2和model2-1，所以FML平板中復(fù)合材料和金屬混合比的增大可以顯著提升FML平板的抗沖擊性能。

圖11 不同材料分布結(jié)構(gòu)示意圖(白色為復(fù)合材料，黑色為金屬)

表4 不同模型下葉片剩余速度

圖12 不同模型下點(diǎn)A的位移響應(yīng)

3 結(jié)論

通過對(duì)模擬葉片撞擊FML平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)FML平板以沖塞型失效為主，背面金屬可以有效抑制正面復(fù)合材料的花瓣型失效;

(2)在葉片同一入射速度時(shí)，F(xiàn)ML平板中金屬含量越高，金屬與復(fù)合材料的混合程度越高，則平板抗沖擊性越好；

(3)在葉片不同入射速度時(shí)，F(xiàn)ML平板的能量吸收能力與葉片入射速度有關(guān)，在某一速度下可使平板吸收能量最少；

本文僅通過數(shù)值仿真方法進(jìn)行分析，得到了變化規(guī)律，但并未開展對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)有待進(jìn)一步開展研究。