CN108647367A - 一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法 - Google Patents

一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，本发明公开了一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法。运用滑膛炮进行打靶试验模拟高速叶片撞击机匣，采用有限元仿真软件LS‑DYNA对打靶试验进行数值仿真，叶片用JOHNSON‑COOK材料模型，靶板采用SIMPLIFIED‑JOHNSON‑COOK材料模型。对比验证数值仿真的准确性，获取合适的仿真参数。采用仿真模拟不同情况下双层钛合金机匣的包容临界速度，并代入打靶试验结果进行验证，实现机匣包容曲线公式的拟合。

Description

一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法
技术领域
本发明涉及航空发动机机匣包容性研究和计算机仿真领域，尤其涉及一种 双层钛合金机匣包容曲线绘制方法。
背景技术
随着军事和民用航空需求的不断增加，对于更高性能、更强可靠性和耐久 性的航空发动机的研制迫在眉睫。当发动机上的叶片因外物撞击或高周疲劳等 因素发生断裂行为并撞击向机匣时，机匣可能破裂且叶片从破口飞出。机匣非 包容事件导致的发动机故障可能引起威胁飞行安全的事故，发动机机匣包容性 的研究对于航空安全而言意义重大。打靶试验和数值仿真是研究包容性问题的 两种有效手段，将其结合可以达到研究周期短、结果精确、节约花费的目的。
现有技术中，对不同类型的带加强筋铝合金靶板进行了打靶试验，试验结 果表明加筋板弹道极限比平板增强25％。通过打靶冲击试验模拟了机匣包容叶 片过程，并进行高精度数值仿真探究，用于试验前仿真预测，提高试验成功率。 运用数值仿真方法分析了飞脱叶片与其他叶片的相互作用对撞击过程的影响。 通过仿真分析了双层靶板不同板层厚度比和层间间距对包容能力的影响。目前 已有的机匣包容性研究工作中，数值仿真中的参数选取不够准确，在包容经验 公式方面缺少的试验的验证。仿真各项参数选取正确与否直接影响所拟合机匣 包容曲线的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明基于多次打靶试验的数据，运用有限元仿真软件LS-DYNA 对打靶试验进行数值仿真，仿真结果与试验结果高度吻合，验证发明中仿真方 法的正确性。运用所得出的准确仿真参数进一步针对不同结构组合情况的双层 钛合金机匣进行包容性仿真，将仿真出的所有结构组合的临界速度拟合出包容 临界曲线，为机匣结构优化设计提供准确参考。
本发明的技术方案为：一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在 于：包括以下步骤：
步骤1：设计包含叶片弹体、双层钛合金靶板、靶架的打靶试验，进行12 组打靶试验，采用高速摄像机记录实验数据和结果；
步骤2：运用有限元仿真软件LS-DYNA对所述步骤1中的打靶试验进行数 值仿真，并验证步骤1中的结果；得出修正的叶片弹体材料模型和双层钛合金 靶板材料模型的钛合金材料参数，获得仿真方法。
步骤3：运用步骤2中的仿真方法，对双层钛合金机匣结构进行具体包容 临界速度求解；；
步骤4：根据步骤3所求出的临界速度绘制双层钛合金机匣结构的包容曲 线，拟合包容经验公式。
更进一步的，所述步骤1中的打靶试验运用73式100mm滑膛炮发射所述 叶片弹体，通过控制装填火药的质量来控制叶片弹体的打靶速度。
更进一步的，所述步骤1中的试验中的双层钛合金靶板包括外靶板和内靶 板，外靶板厚度5mm，内靶板厚度5mm。
更进一步的，所述12组打把试验包括不同内靶板、外靶板的间隙厚度和不 同叶片弹体冲击速度构成的12组工况。所述12组工况，可以进行充足的打靶 试验。
更进一步的，步骤2中所述的叶片弹体采用JOHNSON-COOK材料模型；所述 双层钛合金靶板采用SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK材料模型。
更进一步的，所述步骤2中的仿真方法中，离散时将体单元长宽高接近于 1:1:1，对撞双层钛合金靶板的撞击区域进行化分。将打靶模型在有限元仿真进 行建模后，进行模型的网格划分和离散，将模型分割成无数个体单元，后续使 用有限元对其计算，以此来保证计算精度。对双层钛合金板靶板的撞击区域进 行精细划分，也以此来保证计算精度。
更进一步的，所述步骤4中的拟合包容经验公式采用ORIGIN软件拟合。 Origin能完成简单的线图，散点图，点线图，直方图，饼图等，还能完成极坐 标，雷达图，三维图。Origin的数据拟合的功能，内嵌了非常丰富的函数库。 采用该软件进行公示拟合，可提高工作效率。
有益效果：本发明的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法
(1)打靶试验作为有效的包容性试验可以准确地模拟航空发动机机匣包容 性，得出双层钛合金机匣的正确包容数值。
(2)利用仿真与试验高度吻合的对比结果，修正了仿真中运用于叶片的材 料模型和运用于靶板的材料模型的材料参数，得到准确的仿真方法。
(3)后期进一步仿真出的包容曲线和经验公式具有较好的准确性，可作 为双层钛合金机匣结构优化设计的参考，为设计者提供直观的包容结果。
附图说明
图1为打靶试验布局示意图；
图2为具体实施例中打靶试验编号#1的仿真结果与试验结果对比图；
图3为具体实施例中打靶试验编号#2的仿真结果与试验结果对比图；
图4为双层钛合金机匣不同层间间隙时的包容曲线预测与试验结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用 于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术 人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开了一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，包括：
步骤1：如图1为打靶试验示意图，对双层钛合金机匣厚度分配均为内层机匣 5mm、外层机匣5mm时，即本试验中的双层钛合金靶板的内外靶板厚度均为5mm， 分别采用0～15mm的机匣层间间隙厚度、不同的叶片冲击速度进行12组打靶试 验。表1为12组打靶试验的试验数据。
表1打靶试验结果
步骤2：对12组打靶试验分别进行数值仿真，各组的内外靶板损伤位置及形状、 叶片损伤情况和叶片剩余速度等数据，仿真与试验结果均高度吻合，验证了此 种数值仿真的准确性。图2和图3为编号#1和#12的试验仿真对比示意图。
步骤3：由上述仿真方法中修正出适用于钛合金的JOHNSON-COOK材料模型和SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK材料模型的参数，两种模型分别为仿真中所定义的 叶片与靶板的材料模型。
表2为修正的JOHNSON-COOK材料模型钛合金材料参数。表3为修正的 SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK材料模型钛合金材料参数。
表2修正的JOHNSON-COOK模型的TC4材料参数
表3修正的SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK模型的TC4材料参数
步骤4：将双层钛合金机匣厚度分配为5mm+5mm的组合，分别对层间间隙为0mm、2mm、5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的七种间隙情况，按照上述仿真方法进行 临界速度计算，所得结果见表4。图4为由表4绘制出的不同间隙的包容曲线 图，并将表1中的12组打靶试验绘在图上，试验结果与仿真的包容曲线结果基 本吻合，可将包容曲线运用于机匣结构优化设计。
表4 5mm+5mm双层金属机匣不同间隙临界速度预测
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围包括以上所述 但不仅限于此。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业的技术人员能够 实现或者使用本发明。对本发明中的实施例的替换或修改对本领域的专业技术 人员来说是能够实现的，本文中定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或 范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明不完全被限制于本文中的 这些实例，更是要复合与本文公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：设计包含叶片弹体(1)、双层钛合金靶板(2)、靶架和背景布(4)的打靶试验，进行12组打靶试验，采用高速摄像机(3)记录实验数据和结果；
步骤2：运用有限元仿真软件LS-DYNA对所述步骤1中的打靶试验进行数值仿真，并验证步骤1中的结果；得出修正的叶片弹体材料模型和双层钛合金靶板材料模型的钛合金材料参数，获得仿真方法。
步骤3：运用步骤2中的仿真方法，对双层钛合金机匣结构进行包容临界速度求解；
步骤4：根据步骤3所求出的临界速度绘制双层钛合金机匣结构的包容曲线，拟合包容经验公式。
2.根据权利要求1所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：所述步骤1中的打靶试验运用73式100mm滑膛炮发射所述叶片弹体，通过控制装填火药的质量来控制叶片弹体的打靶速度。
3.根据权利要求1所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：所述试验中的双层钛合金靶板包括外靶板和内靶板，外靶板厚度5mm，内靶板厚度5mm。
4.根据权利要求2所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：所述12组打靶试验包括12种不同内靶板、外靶板的间隙厚度和不同叶片弹体冲击速度构成的工况。
5.根据权利要求1所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：步骤2中所述的叶片弹体采用JOHNSON-COOK材料模型；所述双层钛合金靶板采用SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK材料模型。
6.根据权利要求1所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：所述步骤2中的仿真方法中，离散时将体单元长宽高接近于1:1:1，对双层钛合金靶板的撞击区域进行化分。
7.根据根据权利要求1所述的一种双层钛合金机匣包容曲线绘制方法，其特征在于：所述步骤4中的拟合包容经验公式采用ORIGIN软件拟合。
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