復合材料風扇包容機匣關鍵性能提升

■ 孔維夷 徐焱 張璇 張建 譚智勇 侯乃先 胡壽豐/ 中國航發(fā)商發(fā)

聚酰亞胺-碳纖維混編復合材料方案解決了風扇機匣的輕量化與包容性兩項關鍵性能同步改善的難題，可提升商用航空發(fā)動機的經(jīng)濟性和安全性，但傳統(tǒng)的材料設計、仿真、制造和測試方法已不能完全適用，針對此種情況，創(chuàng)新團隊開展了技術攻關。

在外物沖擊或自身內(nèi)部缺陷的影響下，風扇葉片可能發(fā)生失效脫落（FBO）。為保障飛行安全，適航法規(guī)要求風扇包容機匣必須包容脫落葉片和隨之產(chǎn)生的高能碎片，并通過整機破壞性試驗進行驗證。風扇包容機匣是發(fā)動機上最大的靜止件，單純增加厚度來提升包容性無疑會為發(fā)動機增加額外的質(zhì)量。此外，風扇包容機匣在整機中的質(zhì)量占比會隨著涵道比的增大不斷增加。因此，兼?zhèn)漭p質(zhì)和包容性能的風扇包容機匣的研制，無疑是商用航空發(fā)動機研發(fā)中最重要、最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)之一。近年來，國產(chǎn)聚酰亞胺纖維的性能和穩(wěn)定性不斷提高，其力學性能、耐紫外線和吸濕性能均明顯優(yōu)于芳綸纖維，為采用聚酰亞胺-碳纖維混合編織復合材料改善風扇機匣的輕量化和包容性提供了可能。

混編復合材料設計分析方法與工具開發(fā)

由于聚酰亞胺-碳纖維混合編織復合材料引入了新的纖維類型，因而比單種纖維的編織復合材料有著更加豐富的可設計性，但3種組分的協(xié)同作用又共同影響著復合材料的性能，出現(xiàn)多級破壞的現(xiàn)象，進行仿真分析的難度極大。常用的單胞建模分析方法涉及到幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加周期性邊界條件、求解和結(jié)果后處理的工序，步驟多、周期長，對人員要求高，易出錯。而更為復雜的混編方案依然使用上述流程逐一建模分析顯然不太現(xiàn)實。

自動化單胞建模分析不同混編方案

因此，創(chuàng)新團隊結(jié)合混編復合材料實際參數(shù)的表征、測試，改善了仿真方法與流程，再通過Python語言對仿真軟件Abaqus進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了自動化的混編復合材料性能預測，可一鍵完成復雜的單胞建模與分析過程，求解混編復合材料的等效材料性能，剛度性能預測仿真誤差在5%以內(nèi)，性能預測分析耗時縮減了90%以上。由此大幅減少了研制所需的試驗量，減少了對人員經(jīng)驗、能力的依賴，提升了混編復合材料分析的一致性、正確性和準確性。

混編復合材料成型

兩種不同的纖維材料除了給仿真分析帶來困難以外，也給制造和加工帶來了挑戰(zhàn)。加入聚酰亞胺纖維后，纖維預制體的滲透率發(fā)生改變，同時聚酰亞胺纖維具有不易浸漬的特點，使得以往的成型工藝與經(jīng)驗難以直接應用。因此，創(chuàng)新團隊基于滲透率測試與工藝仿真，研究了注射壓力、速度等參數(shù)對成型質(zhì)量的影響，優(yōu)化注射流道設計與成型參數(shù)。在注射過程前期采用低注射壓力，使樹脂充分浸潤預制體內(nèi)部的纖維，在注射后期提高注射壓力，確保在樹脂工藝窗口內(nèi)完成注射，提升了混編復材的成型質(zhì)量。而且，聚酰亞胺纖維有著韌性好、但與環(huán)氧樹脂匹配性差的特點，這種高韌性的纖維通過相對脆弱的樹脂基體結(jié)合到一起，即使最簡單的平板切割也容易出現(xiàn)纖維起毛、樹脂劈裂等加工質(zhì)量問題，無法用于后續(xù)的測試。創(chuàng)新團隊通過刀具篩選試驗、刀具轉(zhuǎn)速試驗、進給速度試驗等開展機加工藝研究，結(jié)合高壓水切割等方法探索，最終獲得了聚酰亞胺纖維混編復合材料高質(zhì)量加工的工藝方法。

混編復合材料機匣“積木式”仿真與試驗

混編復材成型與制造優(yōu)化

復合材料構件的性能與耐久性的驗證過程，通常是一個包含試驗和分析的復雜過程。逐一檢驗各種幾何特征、載荷、環(huán)境和失效模式所需要的試件數(shù)目巨大，單純使用試驗手段需要承受高額的測試費用，而只使用分析手段則不能足夠精確地預測每種情況下的結(jié)果。創(chuàng)新團隊運用“積木式”的研發(fā)方法，將復合材料風扇機匣復雜的包容問題進行合理解耦，逐級分解。按目前的研制階段，在基礎的材料級和元件級，策劃開展6類、37項測試與驗證，對聚酰亞胺纖維混編復合材料仿真與測試技術開展研究，逐項仿真、逐級驗證，最終建立了混編復合材料機匣的包容仿真分析方法。

“積木式”仿真與試驗驗證

鈦合金彈片沖擊不同類別的混編復合材料

混編復合用于包容機匣后的效果

在材料級，除了開展常規(guī)的組分性能試驗和復合材料力學性能試驗外，還存在一項當務之急，即根據(jù)機匣FBO包容特點正確開展混編復合材料沖擊性能的表征試驗，并從中選出沖擊效果最佳的混編方案。這是因為在眾多的混編可能性面前，即使有強大的仿真預測工具來尋找沖擊性能最優(yōu)的混編方案，所要探索的設計空間依然過于巨大。但復合材料沖擊性能受測試方法的影響巨大，而目前的沖擊測試方法普遍無法體現(xiàn)機匣FBO沖擊包容的特點，以此指導結(jié)構設計可能會導致結(jié)果南轅北轍。創(chuàng)新團隊從頂層的機匣FBO包容出發(fā)，通過查找文獻與數(shù)值仿真，結(jié)合前期研制經(jīng)驗，逐一甄別事件中的關鍵邊界條件與關鍵沖擊模式，開發(fā)了體現(xiàn)機匣包容沖擊特點的復合材料平板鈦合金彈片沖擊試驗方法；在此基礎上，通過精心設計的交叉對比試驗，通過少量試驗研究了混編方案中的主要類別，如層間混編、層內(nèi)均勻混編、紗線混股等；并從中確定了層內(nèi)均勻混編的類別具有最佳的抗沖擊性能；再結(jié)合仿真，在該類別中開展精細化混編方案優(yōu)化設計；最終，優(yōu)化混編方案經(jīng)試驗驗證，對比織物結(jié)構相同的T800級碳纖維復合材料，鈦合金彈片沖擊試驗中的臨界沖擊動能提升了45%，對比T800級碳纖維/增韌環(huán)氧樹脂的鋪層復合材料，臨界動能提升了107%。

在元件級，團隊對該優(yōu)選混編方案的應用效果進行了進一步評估與驗證。完成了與機匣包容區(qū)厚度相當?shù)拇蟪叽缁炀帍秃喜牧掀桨逯圃?，在楔形子彈沖擊試驗中，對其包容效果進行評估。該沖擊試驗方法進一步體現(xiàn)了復合材料葉片、金屬加強邊沖擊機匣的角度、切速度等因素對包容性的影響。結(jié)果表明，以上優(yōu)選的混編方案，對比完全使用碳纖維三維機織復合材料平板，相同沖擊能量下，靶板的侵徹損傷深度下降66%，而質(zhì)量還減輕了7%。通過該試驗，混編復合材料結(jié)構的沖擊仿真方法得到了進一步驗證。

基于上述標定后的仿真方法和參數(shù)，創(chuàng)新團隊開展了混編復合材料用于風扇包容機匣的FBO包容仿真研究?？紤]脫落葉片的首次沖擊，以及尾隨葉片對脫落葉片加速后的二次沖擊和后續(xù)沖擊，對比完全使用碳纖維三維機織復合材料的包容機匣，混編復合材料使機匣的包容能力大幅提升，碎片侵徹損傷深度下降了40%，而機匣的質(zhì)量減少了33kg。值得一提的是，該結(jié)果是在不改變機匣幾何結(jié)構的情況下獲得的。

混編復合材料機匣效益分析

參考相關資料中的數(shù)據(jù)，根據(jù)目前的結(jié)果推算，由于使用混編復合材料風扇包容機匣技術，僅機匣一項，一架雙發(fā)民航客機每年可節(jié)省燃油792 萬L，降低運營成本396 萬美元。綜上可以看出，該項技術在發(fā)動機上的成功應用，有望帶來較好的經(jīng)濟效益，也能助力“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略的早日實現(xiàn)。

結(jié)束語

創(chuàng)新團隊開發(fā)出的新型高性能聚酰亞胺-碳纖維混編復合材料取得了比純碳纖維復合材料更強的包容性，同時顯著減輕了質(zhì)量。后續(xù)工作中，團隊將對包容機匣的結(jié)構進行適應性優(yōu)化，再結(jié)合差異化的混雜模式，有望顯著提升包容機匣與發(fā)動機可靠性、質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性。