【摘 要】
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在新一代高推重比涡扇发动机设计中,复合材料轴结构的失效模式分析和承载能力预测是低压涡轮轴结构完整性分析的重要组成部分,为低压涡轮轴的设计和应用提供依据。针对复合材料涡轮轴结构失效模式分析和承载能力预测问题,开展了复合材料横向强度分析、非理想界面复合材料失效模式分析和复合材料涡轮轴渐进失效分析三个方面的工作:基于复合材料细观力学理论,提出在横向拉伸、压缩和剪切载荷下的复合材料应力集中系数及强度的计算
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在新一代高推重比涡扇发动机设计中,复合材料轴结构的失效模式分析和承载能力预测是低压涡轮轴结构完整性分析的重要组成部分,为低压涡轮轴的设计和应用提供依据。针对复合材料涡轮轴结构失效模式分析和承载能力预测问题,开展了复合材料横向强度分析、非理想界面复合材料失效模式分析和复合材料涡轮轴渐进失效分析三个方面的工作:基于复合材料细观力学理论,提出在横向拉伸、压缩和剪切载荷下的复合材料应力集中系数及强度的计算方法,并开展SiC/TC4层合板试验,验证计算方法和模型的有效性。分析表明,选择纤维体积分数在35%～45%之间,且纤维与基体的弹性模量相差较小的组份材料,有利于提高复合材料承载能力。基于双线性内聚力模型,建立含界面的代表体积元模型,结合最大应力准则和最大位移准则分析界面损伤演化过程及其影响因素,提出考虑界面开裂的复合材料横向强度、界面开裂角及界面横向拉伸临界开裂载荷的计算方法,并进行试验验证,得出界面开裂使复合材料横向拉伸强度显著降低。以某型航空发动机低压涡轮轴为原型,建立基于Hashin失效准则的复合材料涡轮轴结构渐进失效分析模型,模拟轴结构在拉伸和扭转载荷作用下的损伤演化过程和失效模式,预测轴的拉伸和扭转强度。结果表明,温度越高,轴能承受的拉伸载荷和扭转载荷越小;0°铺层时轴拉伸强度最大,45°铺层时轴扭转强度最大,综合考虑拉伸强度和扭转强度时,±30°对称铺层为最优铺层方案。
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