复合材料静子叶片包边典型件三点弯试验与损伤机理仿真研究
编号:110
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更新:2026-11-09 17:50:43 浏览:3次
口头报告
摘要
针对超薄复合材料弯扭静子叶片前缘包边结构在复杂热力耦合环境下的设计与验证需求,以及当前缺乏真实曲率与高温耦合工况下典型件损伤演化规律的问题,本文旨在获取包边典型件的载荷—位移响应和典型破坏特征,比较不锈钢二次胶接与镍网共固化两类包边方案的温度适应性,并建立有限元模型开展试验对比与机理分析。
研究采用由平板连接性能到典型结构件逐级验证的技术路线,开展非标三点弯曲试验与有限元仿真。试验设计了SY62环氧树脂胶膜-316L不锈钢二次胶接包边与改性双马树脂-镍网预浸料共固化包边两种典型件,设置0°、5°、10°、20°四种叶片安装角度以模拟实际叶片的曲率差异,温度工况覆盖23℃、100℃、210℃和260℃,加载采用1 mm/min位移控制,以峰值载荷、对应压头位移、载荷跌落事件及目视破坏形貌为主要评价量;镍网方案在叶片跨距1/4和3/4位置布置4个应变测点,并针对20°大曲率试件设计3D打印辅助定位模具以保证粘贴精度。仿真方面,基于Abaqus软件建立包含复合材料面内单元、层间内聚力单元及胶层单元的有限元模型,面内单元采用三维Hashin准则判断纤维失效并以能量型线性退化准则实现损伤演化,层间界面采用二次应力准则起裂与B-K准则渐进退化,胶层采用基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构,并增设升温分析步以计入不锈钢与复材热膨胀系数不匹配引起的热应力。
试验结果表明:温度是影响两类包边方案承载性能的主要因素,随温度升高两类方案整体承载能力均呈下降趋势;不锈钢包边方案在23℃和100℃下各角度试件总体以复合材料叶片本体破坏为主,胶层无明显分层,而210℃时包边端部及中部均出现显著分层,端部伴随明显面外翘曲,首次破坏载荷明显低于常温和100℃,失效模式由叶片本体控制转向胶接区域控制;镍网共固化包边方案在23℃和100℃下同样以叶片本体局部损伤为主,210℃后逐渐出现前缘局部挤压与镍网屈曲褶皱,至260℃该特征更加稳定,0°试件平均峰值载荷由23℃的1120 N依次降至100℃的940 N、210℃的777 N和260℃的642 N,相比常温分别下降约16.1%、30.6%和42.7%,平均失效位移由5.54 mm降至2.87 mm,但全温度范围内均未观察到大面积界面整体脱粘。仿真预测的23℃下0°、5°、10°峰值载荷误差分别为14.32%、11.78%、4.21%,100℃下分别为12.62%、12.41%和-5.02%,与试验结果吻合较好;损伤分析显示常温下叶片最终破坏主要表现为后缘中部贯穿厚度方向的纤维压缩损伤并伴随前缘包边过渡区局部损伤,0°和5°胶层几乎不出现明显剥离或剪切损伤,而10°叶片失效前胶层端部出现小范围单元删除,表明弯曲程度加剧了端部剥离失效;100℃下热应力显著改变胶层初始应力状态,三种角度试件在失效前均出现不同程度的胶层分层。
综合研究结果可得,镍网共固化包边方案在高温下的界面完整性优于不锈钢二次胶接方案,高温首先改变包边区域的局部变形与承载方式而非直接导致共固化界面整体失效;叶片安装角度会改变局部受力状态和失效位置,但其影响与温度相互耦合,不存在独立于温度的单调规律;所建立的有限元模型能够有效预测典型件的峰值载荷与损伤起始位置,可为后续包边结构参数优化、损伤评估及振动疲劳试验提供基础数据与失效模式依据。
关键词
复合材料叶片;包边结构;三点弯曲试验;有限元仿真;温度效应;损伤演化
稿件作者
周晖轩
北京航空航天大学
白江波
北京航空航天大学
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