关键词：
复合材料
碳纤维
仿生结构
力学性能
铺层设计
摘要：
随着科技水平的迅猛发展,复合材料的应用范围越来越广,航天技术领域对于复合材料的需求也越来越大,与传统的金属叶片相比,复合材料叶片的优点较为明显:如质量轻、比模量高、可设计性强,因此在发动机叶片中应用复合材料是目前航空航天领域发展的重中之重。传统铺层结构的复合材料叶片已经跟不上时代的脚步,铺层角度单一以及缺乏科学性的灵感都是现阶段复合材料叶片在铺层设计中遇到的瓶颈,所以复合材料叶片的轻质、高强性能协同强化技术亟待解决。本文主要结合仿生学的思想,通过力学性能测试、有限元模拟仿真以及微观分析对发动机叶片的不同部位进行铺层设计研究,主要研究内容如下:(1)首先依据复合材料铺层设计准则,提出了一套叶片增厚插层设计的铺层方法,下一步基于Fibersim软件的Volume Fill模块对本文构建的复合材料叶片模型进行体积填充铺层设计。根据复合材料叶片的大型过流曲面特点,将复合材料叶片叶身分为叶根、叶中和叶尖三个部位,并基于仿生学思想分别对叶片的三个部位进行铺层结构的设计和研究。(2)利用大型鸮类翼羽的抗弯曲、抗扭转性能,海洋生物中腔棘鱼鳞片的抗冲击性能和龙虾钳的延缓损伤能力,将三种生物的纤维结构组合应用于叶片铺层结构设计中。根据叶根比叶尖薄的变厚度特点,首先对叶根处的铺层结构进行仿生铺层设计,并在相同的制作工艺下制得仿生结构样件和传统结构样件。接下来通过拉伸、弯曲测试,弯曲、冲击有限元仿真和微观分析,从损伤形式、力学性能等方面了解到,叶根处仿生基本铺层结构样件具有偏转裂纹的效应。(3)基于叶片增厚插层设计方法,对叶根处铺层结构进行仿生增厚设计得到叶中处铺层结构。对叶中处仿生过渡铺层结构进行力学性能测试、有限元仿真分析和微观损伤探究,得出叶中处螺旋铺层结构具有提高纤维层合材料的抗破坏能力和减少损伤的特点。(4)为进一步提高复合材料叶片的综合性能,对叶中处仿生铺层结构进行增厚插层设计得到叶尖处仿生完整铺层结构。通过拉伸、弯曲测试,弯曲、冲击有限元仿真和微观分析,得出变角度双螺旋铺层结构在叶根、叶中和叶尖处的综合力学性能最好,其铺层角度为:[0°,0°,30°,30°,45°,45°,60°,60°,90°,90°,-45°,-45°,-60°,-60°,0°,0°,-30°,-30°,45°,45°,0°,0°,90°,90°]。上述仿生铺层结构方案可以显著提高叶片整体的强度、刚度,为复合材料叶片的优化设计提供新思路。
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