CN111579363A - 一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料性能评估领域，具体涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法。首先利用专用性能测试装置对SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环的性能进行测试，通过精准设计的匹配间隙，使环形试样平稳且同轴地嵌入到支撑模具中，采用位移控制的横梁移动方式进行加载，进而获得叶环的断裂应力。然后利用有限元软件对叶环的载荷分布进行模拟，修正混合定律公式，获得复合材料整体叶环的周向承载性能。本发明方法可快速、简洁和高效的评估复合材料整体叶环承载能力，节约了制造和试验成本，缩短了研制周期，规避了棒状试样“以直代弯”的固有缺点，载荷状态更符合整体叶环承载规律，测试结果更具真实性和有效性。

Description

一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法
技术领域
本发明涉及SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能测试领域，具体涉及一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法。
背景技术
连续SiC纤维增强钛基复合材料具有高比强度、高比模量、热稳定性好等性能优势，用其制备的复合材料整体叶环，与传统钛合金整体叶盘相比，减重可达30％以上，可显著提高发动机的性能，在航空工业中具有明确的应用前景。复合材料整体叶环其结构设计和制造水平决定了结构件的承载能力，目前超转破裂试验为评估该类转动件极限强度的常规方法，根据试验结果优化复合材料整体叶环的制备工艺。
复合材料整体叶环制造难度大、研制周期长、制造成本高，尤其对于外部增强结构的复合材料整体叶环，需要2件复合材料加强环和1件钛合金主体环匹配组装后，对整件叶环实施强度考核。超转破裂试验对设备要求高，该试验通常采用多轮次加载，在试验期间需多次中断时间监测叶环变形情况，因此整个试验过程耗时较长，试验最终为破坏性试验，测试费用高昂，根据试验结果对复合材料整体叶环进行多次结构设计和制造水平的迭代优化需要耗费大量研究成本和时间成本。
为了缩短复合材料整体叶环的研制周期，需要突破常规叶环性能评估方法，开发一种新型的测试手段评估复合材料整体叶环的承载能力，其目的是降低研制成本、缩短制造时间，简单、快捷地获得复合材料整体叶环的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，该方法可快速、简洁和高效的评估复合材料整体叶环承载能力，载荷状态更符合整体叶环承载规律，测试结果更具真实性和有效性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，该方法设计复合材料环形试样的专用性能测试装置，该装置设有支撑模具，支撑模具由四个相同的半圆盘组成，上下各两个半圆盘：位于上部左右相对应的半圆盘采用固定销钉定位、固定螺栓固定，位于下部左右相对应的半圆盘采用固定销钉定位、固定螺栓固定；组装后，四个半圆盘呈上下对称、左右对称，形成圆柱结构的支撑模具；圆柱结构的支撑模具外圆周设计环形的凹槽，环形试样套设于凹槽。
所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，通过凹槽限位环形试样，避免两个相对应的半圆盘间出现微滑动造成拉伸方向与环形试样平面不同轴，支撑模具与环形试样间的匹配间隙为<0.5mm。
所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，专用性能测试装置采用上下两组高强度正交连接杆将支撑模具与力学试验机相连接，为了消除拉伸过程中环形试样出现微偏心，每组高强度正交连接杆设计为上下两个正交的连接杆：两个正交的连接杆之间通过高强销钉铰接，一个连接杆与支撑模具之间采用高强销钉铰接，另一个连接杆与力学试验机连接，形成正交双销钉连接结构。
所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，上下两组高强度正交连接杆为上部正交连接杆、下部正交连接杆，上部正交连接杆为连接杆A和连接杆B为上下正交设置，连接杆A和连接杆B之间通过高强销钉A铰接，连接杆A的上部与力学试验机相连接，连接杆B的下部与支撑模具的上部通过高强销钉B铰接；下部正交连接杆为连接杆D和连接杆C为上下正交设置，连接杆D和连接杆C之间通过高强销钉C铰接，连接杆C的下部与力学试验机相连接，连接杆D的上部与支撑模具的下部通过高强销钉D铰接。
所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)将待测复合材料环形试样与专用性能测试装置匹配安装后，通过正交连接杆与力学试验机连接；
(2)实验采用位移控制方式，力学试验机横梁移动速率为1mm/min，获得复合材料环形试样的断裂应力；
(3)通过复合材料环形试样的断裂应力和受到拉伸载荷的截面积计算环形试样的断裂强度。
所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，根据有限元软件对叶环的载荷分布的模拟结果，计算复合材料应力集中系数，修正混合定律公式，获得复合材料环形试样拉伸强度的混合定律计算公式为
Figure BDA0002462995940000031
Figure BDA0002462995940000032
根据公式计算复合材料环形试样的断裂强度；
其中，σ复合材料——复合材料环形试样拉伸强度，MPa；
σTMC——复合材料棒状试样拉伸强度，MPa；
σM——钛合金包套拉伸强度，MPa；
Kmax——复合材料应力集中系数；
ATMC——复合材料环形试样中复合材料面积，mm2；
AM——复合材料环形试样中钛合金包套面积，mm2。
本发明的设计思想是：
本发明根据外部增强结构复合材料整体叶环中加强环的结构特点，设计了一种复合材料环形试样的专用性能测试工装，对复合材料环形试样进行拉伸性能测试。利用有限元模拟软件分析复合材料环形试样在拉伸过程中载荷分布特征，计算复合材料应力集中系数，修正复合材料混合定律公式，得到复合材料环形试样的拉伸强度。复合材料拉伸性能测试通常采用棒状试样，由于棒状试样的曲率半径和应力状态与环形试样不一致，棒状试样的拉伸强度往往比环形试样的拉伸强度高，因此复合材料棒状试样不能真实地表达复合材料环形试样的拉伸性能。本发明采用外部增强结构复合材料整体叶环中的1件加强环，通过测试其拉伸性能来评估复合材料整体叶环高速旋转过程复合材料断裂强度，两种测试方法中复合材料增强体SiC纤维均受到纤维轴向的拉应力。本发明方法消除了利用复合材料棒状试样评价环形试样拉伸性能引起的误差，从而更真实的评价复合材料叶环的制造水平。
本发明具有如下优点和有益效果：
1.本方法通过测试复合材料环件整体叶环环形试样(外部增强结构整体叶环中1个加强环)的拉伸性能代替复合材料整体叶环整件考核，减少了主体环和1件加强环的制备，实现了快速、简洁、高效的性能评估方式，降低制造成本，缩短研制周期。
2.本方法采用复合材料环形试样代替传统棒状试样评估复合材料整体叶环的性能，消除了棒状试样与环形试样曲率半径和应力状态的差异对复合材料拉伸性能的影响，更真实的表征复合材料整体叶环的力学性能。
3.本方法根据有限元软件对叶环的载荷分布的模拟结果，计算复合材料应力集中系数，修正混合定律公式，计算复合材料环形试样的断裂强度，有限元模拟结果与实验结果的一致性验证了本发明方法的有效性。
附图说明
图1-图3为复合材料环形试样专用性能测试装置结构示意图。其中，图1为主视图，图2为剖视图，图3为立体图。
图中：1-支撑模具，11-半圆盘A，12-半圆盘B，13-半圆盘C，14-半圆盘D，2-上部正交连接杆，21-连接杆A，22-连接杆B，3-上部高强销钉，31-高强销钉A，32-高强销钉B，4-固定销钉，5-固定螺栓，6-环形试样，7-凹槽，8-下部正交连接杆，81-连接杆C，82-连接杆D，9-下部高强销钉，91-高强销钉C，92-高强销钉D。
图4为有限元模拟复合材料环形试样截面上的应力分布。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明首先利用专用性能测试装置对SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环的性能进行测试，通过精准设计的匹配间隙，使环形试样平稳且同轴地嵌入到支撑模具中，采用位移控制的横梁移动方式进行加载，进而获得叶环的断裂应力。然后利用有限元软件对叶环的载荷分布进行模拟，修正混合定律公式，最终获得复合材料整体叶环的周向承载性能。与超转破裂法相比，不用制造和加工环件外部的叶片(或配重块)，同时避免了环件超转破裂后对试验设备的损伤，大幅节约了制造和试验成本，缩短了研制周期。与棒状试样评估相比，该法规避了棒状试样“以直代弯”的固有缺点，即棒状试样不能评估曲率半径及周向残余应力状态对环件性能的影响。
如图1-图3所示，本发明为SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，针对本方法设计了一种复合材料环形试样的专用性能测试装置，该装置采用上下对称结构，主要包括：支撑模具1、上部正交连接杆2、上部高强销钉3、固定销钉4、固定螺栓5、下部正交连接杆8、下部高强销钉9，具体结构如下：
专用性能测试装置中的支撑模具1由四个相同的半圆盘(半圆盘A11、半圆盘B12、半圆盘C13、半圆盘D14)组成，上下各两个半圆盘；位于上部左右相对应的半圆盘A11、半圆盘B12，采用固定销钉4定位、固定螺栓5固定；位于下部左右相对应的半圆盘C13、半圆盘D14，采用固定销钉4定位、固定螺栓5固定。组装后，四个半圆盘呈上下对称、左右对称，形成圆柱结构的支撑模具1。圆柱结构的支撑模具1外圆周设计环形的凹槽7，环形试样6套设于凹槽7，通过凹槽7用于限位环形试样6，避免两个相对应的半圆盘间出现微滑动造成拉伸方向与环形试样6平面不同轴，支撑模具1与环形试样6间的匹配间隙为<0.5mm。
专用性能测试装置采用上下两组高强度正交连接杆(上部正交连接杆2、下部正交连接杆8)将支撑模具1与力学试验机相连接，为了消除拉伸过程中环形试样出现微偏心，每组高强度正交连接杆设计为上下两个正交的连接杆：两个正交的连接杆之间通过高强销钉(上部高强销钉3或下部高强销钉9)铰接，一个连接杆与支撑模具之间采用高强销钉(上部高强销钉3或下部高强销钉9)铰接，另一个连接杆与力学试验机连接，形成正交双销钉连接结构。其中，高强度正交连接杆和高强销钉的材质均为高强钢Cr12MoV。
如图2所示，上部正交连接杆2为连接杆A21和连接杆B22为上下正交设置，连接杆A21和连接杆B22之间通过上部高强销钉3中的高强销钉A31铰接，连接杆A21的上部与力学试验机相连接，连接杆B22的下部与支撑模具1的上部通过上部高强销钉3中的高强销钉B32铰接。下部正交连接杆8为连接杆D82和连接杆C81为上下正交设置，连接杆D82和连接杆C81之间通过下部高强销钉9中的高强销钉C91铰接，连接杆C81的下部与力学试验机相连接，连接杆D82的上部与支撑模具1的下部通过下部高强销钉9中的高强销钉D92铰接。
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释，应该理解以下实施例仅旨在说明，不应被视为对本发明范围的限制。
实施例1
本实施例中，SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法如下：
步骤一：测试复合材料环形试样的尺寸，待测复合材料环形试样内径116mm，外径132mm，截面尺寸为6.96×7.96mm。
步骤二：将复合材料环形试样与专用性能测试装置匹配安装，环形试样镶嵌在支撑模具外圆周的凹槽内，支撑模具之间采用销钉定位，再用螺栓固定。
步骤三：将专用性能测试装置与待测复合材料环形试样通过正交连接杆与力学试验机相连，调整连接杆位置避免测试过程中发生环形试样微偏心。
步骤四：对复合材料环形试样加载，实验采用位移控制方式，力学试验机横梁移动速率采用1mm/min，直至环形试样发生断裂，实验停止，获得复合材料环形试样的断裂应力121.359MPa。
步骤五：环形试样受力面积为2×6.96×7.96mm2，根据其断裂应力和受力面积计算复合材料环形试样的极限载荷为1095MPa。
步骤六：对复合材料环形试样拉伸过程中环截面的载荷分布进行有限元模拟，模拟结果见图4所示，复合材料环形试样截面受力不均匀，内径处发生应力集中。定义复合材料应力集中系数为环形试样截面最大应力/平均应力，本实施例中计算复合材料应力集中系数为1.521(有限元模拟获得的复合材料应力集中系数与材料性能无关，只与复合材料结构件的几何形状有关)。同体积分数复合材料棒状试样的拉伸强度为1800MPa，转化为复合材料环形试样中复合材料强度为1800/1.521＝1183MPa，钛合金基体的拉伸强度为1071MPa，复合材料环形试样中复合材料尺寸为4.70×5.10mm，复合材料面积为23.97mm2，钛合金包套面积为31.43mm2，根据上述数据对复合材料环形试样拉伸强度的混合定律计算公式进行修正，计算公式为：
Figure BDA0002462995940000061
其中，σ复合材料——复合材料环形试样拉伸强度，MPa；
σTMC——复合材料棒状试样拉伸强度，MPa；
σM——钛合金包套拉伸强度，MPa；
Kmax——复合材料应力集中系数；
ATMC——复合材料环形试样中复合材料面积，mm2；
AM——复合材料环形试样中钛合金包套面积，mm2。
根据公式(1)计算复合材料环形试样的拉伸强度为1119MPa。
实施例2
与实施例1不同的是，复合材料环形试样的性能评估过程中，复合材料环形试样性能实测结果为1111MPa，其余实施过程与例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。各项实施例的结果说明，本发明涉及的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，通过测试复合材料环形结构件的性能来评价整体叶环的承载能力，减少了复杂结构复合材料整体叶环的制备成本、缩短研制时间，利用常规力学试验机可以完成叶环性能的初步评价。本发明方法与有限元模拟结果符合良好，与常规棒状试样相比，消除了试样曲率半径和试样尺寸对材料性能的影响，更有效的表征整体叶环的力学性能，为制备航空发动机用SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环的结构优化和提高制造水平提供有效的数据支撑。

Claims (6)

1.一种SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，该方法设计复合材料环形试样的专用性能测试装置，该装置设有支撑模具，支撑模具由四个相同的半圆盘组成，上下各两个半圆盘：位于上部左右相对应的半圆盘采用固定销钉定位、固定螺栓固定，位于下部左右相对应的半圆盘采用固定销钉定位、固定螺栓固定；组装后，四个半圆盘呈上下对称、左右对称，形成圆柱结构的支撑模具；圆柱结构的支撑模具外圆周设计环形的凹槽，环形试样套设于凹槽。
2.按照权利要求1所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，通过凹槽限位环形试样，避免两个相对应的半圆盘间出现微滑动造成拉伸方向与环形试样平面不同轴，支撑模具与环形试样间的匹配间隙为<0.5mm。
3.按照权利要求1所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，专用性能测试装置采用上下两组高强度正交连接杆将支撑模具与力学试验机相连接，为了消除拉伸过程中环形试样出现微偏心，每组高强度正交连接杆设计为上下两个正交的连接杆：两个正交的连接杆之间通过高强销钉铰接，一个连接杆与支撑模具之间采用高强销钉铰接，另一个连接杆与力学试验机连接，形成正交双销钉连接结构。
4.按照权利要求3所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，上下两组高强度正交连接杆为上部正交连接杆、下部正交连接杆，上部正交连接杆为连接杆A和连接杆B为上下正交设置，连接杆A和连接杆B之间通过高强销钉A铰接，连接杆A的上部与力学试验机相连接，连接杆B的下部与支撑模具的上部通过高强销钉B铰接；下部正交连接杆为连接杆D和连接杆C为上下正交设置，连接杆D和连接杆C之间通过高强销钉C铰接，连接杆C的下部与力学试验机相连接，连接杆D的上部与支撑模具的下部通过高强销钉D铰接。
5.按照权利要求1至4之一所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
(1)将待测复合材料环形试样与专用性能测试装置匹配安装后，通过正交连接杆与力学试验机连接；
(2)实验采用位移控制方式，力学试验机横梁移动速率为1mm/min，获得复合材料环形试样的断裂应力；
(3)通过复合材料环形试样的断裂应力和受到拉伸载荷的截面积计算环形试样的断裂强度。
6.按照权利要求5所述的SiC纤维增强钛基复合材料整体叶环性能评估方法，其特征在于，根据有限元软件对叶环的载荷分布的模拟结果，计算复合材料应力集中系数，修正混合定律公式，获得复合材料环形试样拉伸强度的混合定律计算公式为
Figure FDA0002462995930000021
根据公式计算复合材料环形试样的断裂强度；
其中，σ复合材料——复合材料环形试样拉伸强度，MPa；
σTMC——复合材料棒状试样拉伸强度，MPa；
σM——钛合金包套拉伸强度，MPa；
Kmax——复合材料应力集中系数；
ATMC——复合材料环形试样中复合材料面积，mm2；
AM——复合材料环形试样中钛合金包套面积，mm2。
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