【摘 要】
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在新一代高推重比涡扇发动机设计中,复合材料轴结构强度和失效分析是低压涡轮轴结构完整性分析的重要组成部分。针对复合材料低压涡轮轴强度特性和失效分析问题,开展复合材料结构力学模型修正、轴结构承载能力及疲劳寿命计算、轴结构损伤失效分析和涡轮轴强度及失效分析四个方面的工作:基于宏-细观力学理论,结合跨尺度分析方法,建立复合材料宏观板材结构模型,施加横向拉伸与压缩载荷,预测模型的损伤行为及失效强度。建立细观
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在新一代高推重比涡扇发动机设计中,复合材料轴结构强度和失效分析是低压涡轮轴结构完整性分析的重要组成部分。针对复合材料低压涡轮轴强度特性和失效分析问题,开展复合材料结构力学模型修正、轴结构承载能力及疲劳寿命计算、轴结构损伤失效分析和涡轮轴强度及失效分析四个方面的工作:基于宏-细观力学理论,结合跨尺度分析方法,建立复合材料宏观板材结构模型,施加横向拉伸与压缩载荷,预测模型的损伤行为及失效强度。建立细观力学RVE模型,基于内聚力理论,修正RVE模型,结合Si C/TC4力学性能试验,发现改进后的模型能更准确预测复合材料横向应力集中系数与强度。构建SiC/TC4宏观轴结构模型,计算轴结构的力学响应,利用Manson-Coffin公式,预测轴结构的疲劳寿命,依据Hashin失效准则,计算轴结构的承载能力,结合Si C/TC4轴结构试验,验证计算模型的准确性。基于无损检测与有损检测,开展复合材料轴结构静载失效模式与疲劳失效模式分析。利用宏观轴结构模型与细观RVE模型,跨尺度分析复合材料轴结构的损伤演化,并分析其失效机理,结果表明:反向静载作用下,失效模式分为界面损伤、基体开裂与纤维断裂三个阶段;正向静载作用下,失效模式分为基体开裂与纤维断裂两个阶段。建立SiC/TC4低压涡轮轴模型,对涡轮轴施加扭转、弯曲与轴向拉伸载荷,基于三维Hashin失效准则,模拟涡轮轴的损伤演化规律,开展失效机理分析,计算涡轮轴的各项强度。分析铺层角度对强度的影响规律,发现45°铺角的抗扭强度最大,0°铺角的抗弯及抗拉强度最大。
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