宣海軍，何澤侃，牛丹丹，苗 艷，柏漢松，洪偉榮

（1.浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；3.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100083）

0 引言

高強(qiáng)度纖維織物具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、抗沖擊性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于兵器工業(yè)、交通運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域。先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為提高飛機(jī)推重比的重要手段之一，其中比較典型的應(yīng)用是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇包容機(jī)匣。 傳統(tǒng)的硬壁包容（hardwall containment）通常采用韌性極高的高強(qiáng)鋼材料制成，利用其在撞擊載荷作用下發(fā)生較大塑性變形以吸收斷葉動(dòng)能，并有效控制裂紋擴(kuò)展；而軟壁包容（softwall cont-ainment）指在薄壁金屬機(jī)匣外纏繞強(qiáng)度和韌性優(yōu)良的纖維（如Kevlar）條帶，碎片擊穿機(jī)匣內(nèi)層，外層纖維只有被撞擊的局部區(qū)域發(fā)生破損，機(jī)匣仍然保持結(jié)構(gòu)完整性，碎片被機(jī)匣外部增強(qiáng)的柔性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料捕獲[1]。

高強(qiáng)度纖維纏繞增強(qiáng)的軟壁風(fēng)扇機(jī)匣是大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)風(fēng)扇機(jī)匣的主要選型之一，為理清研制思路，本文從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、數(shù)值分析方法、試驗(yàn)方法、纖維性能考核等方面綜述軟壁風(fēng)扇機(jī)匣包容性分析設(shè)計(jì)方法。通過分別研究適用于工程、機(jī)理分析的連續(xù)介質(zhì)模型和紗線模型的優(yōu)缺點(diǎn)，以及比較能有效考慮包容性分析中各關(guān)鍵因素的旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)和能初步驗(yàn)證包容能力的部件包容試驗(yàn)的特點(diǎn)，為可開展的研究提供借鑒。通過總結(jié)纖維織物的性能測(cè)試方法，為選取優(yōu)良的纖維織物以及發(fā)展適用的材料模型提供參考和依據(jù)。

1 軟壁包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用硬壁包容機(jī)匣，在提高安全性的同時(shí)增加了自身質(zhì)量，其性能難以滿足現(xiàn)代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)和大型綠色渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。近年來，纖維纏繞增強(qiáng)軟壁包容機(jī)匣憑借成本低、質(zhì)量輕、包容能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。GE公司在CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)上較早采用了軟壁包容機(jī)匣[2]，隨后，RR公司的RB211，PW 公司的PW4084和GE公司的GE90等發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了該設(shè)計(jì)[3]。其中GE90發(fā)動(dòng)機(jī)在較薄的鋁合金殼體外表面銑出較多縱橫交錯(cuò)的深槽，以保證機(jī)匣的剛度，再在殼體外側(cè)纏繞65層Kevlar 纖維編織帶，并覆以環(huán)氧樹脂制成復(fù)合材料包容環(huán)。該設(shè)計(jì)在具有良好包容能力的同時(shí)，其質(zhì)量比金屬包容環(huán)減輕近50%[4]。典型軟壁包容機(jī)匣及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要特點(diǎn)是通過在薄壁金屬外纏繞多層纖維織物，用來捕捉飛出的碎片。

圖1 典型軟壁包容機(jī)匣及結(jié)構(gòu)

2 軟壁包容機(jī)匣數(shù)值分析方法

軟壁機(jī)匣的數(shù)值分析與金屬機(jī)匣的類似，一般基于直線打靶和部件包容試驗(yàn)，研究1種有效的包容性數(shù)值分析方法，應(yīng)用于真實(shí)機(jī)匣包容性分析。

2.1 打靶試驗(yàn)數(shù)值分析

纖維織物打靶試驗(yàn)的數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展得比較完善，目前集中于連續(xù)介質(zhì)模型和紗線模型。前者模型簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，有利于工程應(yīng)用，但數(shù)值仿真結(jié)果并不能真實(shí)反映纖維織物的具體損傷形式；后者比較接近織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能有效評(píng)估織物的內(nèi)部損傷情況，考慮對(duì)包容性的影響，但是數(shù)值仿真難度較大，建模比較困難，計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)。上述模型為纖維織物打靶試驗(yàn)的數(shù)值仿真分析提供了可行途徑。

2.1.1 基于連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)值分析

為了降低建模難度，連續(xù)介質(zhì)模型不考慮材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化為各向異性的連續(xù)體，使用各向異性的本構(gòu)方程來模擬纖維織物的力學(xué)行為。通過性能測(cè)試得到材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、不同方向的強(qiáng)度等。賦予纖維織物連續(xù)體的材料性質(zhì)，可得出整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，適用于工程分析。成功運(yùn)用分析解、有限差和有限單元法建立沖擊過程的模型。

Kollegal[5]發(fā)展了1種采用3維有限元模型捕捉纖維復(fù)合材料有效彈性性質(zhì)的方法。通過包含基體材料和紗線材料的損傷、失效將非線性加入模型。使用該材料模型的拉伸和面內(nèi)剪切行為與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Roylance[6]運(yùn)用有限差分技術(shù)，利用一系列無質(zhì)量鉸鏈纖維單元，在節(jié)點(diǎn)分布質(zhì)量上使模型與實(shí)際的纖維密度相同。Shim[7]采用了相似技術(shù)，使用無質(zhì)量鉸鏈對(duì)纖維單元進(jìn)行建模，但是黏彈性模型考慮了應(yīng)變率效應(yīng)，采用球形鋼制彈體對(duì)Twaron纖維進(jìn)行了彈道沖擊試驗(yàn)，并與數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果在彈體殘余速度和纖維能量吸收方面顯示了較好的吻合性。

Lim[8]采用膜單元進(jìn)行了球形鋼制彈體對(duì)Twaron纖維材料的彈道沖擊模擬，運(yùn)用DYNA3D的材料類型應(yīng)變相關(guān)的各向同性彈塑性模型（MAT19）。通過自定義載荷曲線定義了彈性模量、失效應(yīng)力、屈服應(yīng)力、剪切模量等隨應(yīng)變率的變化，試驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合較好。

Iannucci[9]采用LS-DYNA和損傷發(fā)展模型對(duì)編織碳纖維復(fù)合材料遭受沖擊載荷的行為進(jìn)行了模擬，用平面應(yīng)力殼單元代表復(fù)合材料，織物纖維與基體損傷通過減小有效剛度值進(jìn)行模擬，隨著剛度值的減小，材料損傷不斷擴(kuò)展直至失效。針對(duì)編織復(fù)合材料，Taibiei[10]采用單胞方法對(duì)其進(jìn)行均質(zhì)化，考慮紗線的重定向和材料方向的非正交性，在LS-DYNA中使用自定義的材料模型模擬圓柱彈體沖擊kevlar129織物，用殼單元代表織物，模型中不考慮織物的損傷。通過對(duì)織物變形量和彈體的位移與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行比較，得出模擬和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

Stahlecker[11]通過試驗(yàn)獲得織物的力學(xué)性質(zhì)，構(gòu)建纖維織物的非線性率相關(guān)性各向異性材料模型，使用LS-DYNA的UMAT子程序施加。在彈道沖擊試驗(yàn)中，葉片撞擊下的連續(xù)介質(zhì)模型發(fā)生了變形與破壞，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了該模型的正確性，如圖2所示。

圖2 連續(xù)介質(zhì)模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1.2 基于紗線模型的數(shù)值分析

通常采用紗線模型研究纖維內(nèi)部作用機(jī)理。按照實(shí)際紗線（纖維束）的波動(dòng)和編織方式直接建模，紗線為面內(nèi)各向同性材料，可直觀地反映纖維織物的具體編織結(jié)構(gòu)，研究彈體與紗線、紗線與紗線之間的相互作用。

Rao[12]研究了Kevlar KM2纖維平紋織物的材料性質(zhì)并進(jìn)行了摩擦測(cè)試，確定了數(shù)值仿真中的材料參數(shù)。通過顯微鏡觀察得到纖維橫、縱向紗線的幾何參數(shù)，建立紗線模型進(jìn)行分析，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好利用LS-DYNA考慮了不同材料性能下的平紋織物彈道沖擊性能，得出剛度和強(qiáng)度更高的織物的彈道沖擊性能也更好。剛度大能夠更快地降低彈體速度，強(qiáng)度高能使紗線在破壞前吸收更多的彈體動(dòng)能。

Duan[13]也利用紗線模型討論了纖維織物靶板在不同邊界條件下的彈道沖擊性能。采用各向異性彈性材料模型，利用LS-DYNA分析得出4邊約束的紗線模型能夠較快地降低其速度，但對(duì)邊約束使彈體速度降低。由于對(duì)邊約束的纖維彈體侵徹纖維的時(shí)間比較長(zhǎng)，吸收的能量較多。

Talebi[14]研究了不同的彈體前端角度對(duì)纖維Twaron CT716撞擊和侵蝕機(jī)制的影響?；诩喚€模型，對(duì)稱選擇1/4模型，數(shù)值仿真如圖3所示。考慮了材料之間的侵蝕，動(dòng)、靜態(tài)摩擦系數(shù)分別設(shè)為0.28和0.30。得出纖維的吸能能力跟彈體的初始速度有關(guān)，前端角為60°時(shí)對(duì)纖維的損害性最大，并隨著彈體前端角度的增大，纖維織物吸能增多。

圖3 基于紗線模型的數(shù)值仿真

2.2 軟壁機(jī)匣包容性數(shù)值分析

考慮機(jī)匣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般在包容性數(shù)值分析時(shí)采用打靶試驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值模型。Bansal等[15]對(duì)Honeywell公司的HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的包容性進(jìn)行了有限元分析，并通過彈道沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證材料本構(gòu)和有限元模型，纖維織物采用3或4層殼單元建模。

軟壁包容系統(tǒng)數(shù)值仿真結(jié)果如圖4所示。通過比較包容系統(tǒng)的損傷預(yù)測(cè)，評(píng)估了葉片造成的損傷程度、缺口尺寸以及沖擊位置，并檢查了變形后的葉片形狀。

圖4 軟壁包容系統(tǒng)數(shù)值仿真結(jié)果

3 軟壁機(jī)匣包容試驗(yàn)方法

文獻(xiàn)[16]中提到機(jī)匣包容性試驗(yàn)主要分為打靶試驗(yàn)（ballistic impact test）、在專門的高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的部件試驗(yàn)（component containment test）、臺(tái)架試驗(yàn)（rig test）和在室外試車臺(tái)上進(jìn)行真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的包容試驗(yàn)（full engine test）4個(gè)步驟來驗(yàn)證和優(yōu)化機(jī)匣的包容性。其中臺(tái)架試驗(yàn)類似于部件試驗(yàn)，但試驗(yàn)條件更接近真實(shí)情況；真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的包容試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證的關(guān)鍵試驗(yàn)，費(fèi)用極高。而打靶試驗(yàn)和部件試驗(yàn)是研究性的基礎(chǔ)試驗(yàn)，也是驗(yàn)證仿真方法有效性的手段，下面對(duì)這2個(gè)方面進(jìn)行綜述。

3.1 有效的打靶試驗(yàn)方法

對(duì)于軟壁機(jī)匣包容性試驗(yàn)來說，打靶試驗(yàn)主要用來考核纖維材料的性質(zhì)，驗(yàn)證數(shù)值分析方法的有效性。文獻(xiàn)[17]介紹了1種典型的全尺度包容環(huán)彈道沖擊試驗(yàn)。夾具為含缺口的金屬圓環(huán)，纖維織物纏繞在圓環(huán)上。圓環(huán)傾斜15°，置于空氣炮前，使彈體可以越過上安裝邊打在機(jī)匣內(nèi)壁上。試驗(yàn)得到了不同纖維織物的能量吸收關(guān)系，以及纖維織物的彈道極限。

直線打靶試驗(yàn)簡(jiǎn)化了零部件。在常見的打靶研究[18-24]中，大都使用平板條或者圓柱形彈體，導(dǎo)致得出的結(jié)果存在一定的偏差。

Carney[25-26]等研究指出，在不增加總體質(zhì)量的情況下，曲面截面機(jī)匣的彈道極限比普通機(jī)匣的高15%。實(shí)際失效的葉片碎片以切線方向飛出撞擊機(jī)匣，不僅涉及較大的傾斜角（Oblique angle）和偏航角（Yaw angle），還存在失效碎片沿質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)（Tumbling），上述因素都無法在直線打靶試驗(yàn)中加以考慮。

相比空氣炮直線打靶試驗(yàn)，在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)則可以有效地考慮問題關(guān)鍵，獲得更接近于實(shí)際包容問題的結(jié)果。

外部纏繞纖維織物的金屬機(jī)匣旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖5所示。葉片安裝在試驗(yàn)臺(tái)主軸上，加速至要求的轉(zhuǎn)速后被釋放。在自身離心載荷作用下，葉片彈體切線飛出，并以一定角度撞擊機(jī)匣模擬件。當(dāng)葉片穿透內(nèi)層金屬環(huán)后，開始與外層復(fù)合材料作用。在旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)中，可利用高速相機(jī)拍攝葉片脫落后的撞擊過程。觀察撞擊時(shí)刻的高速攝影照片，可分析出金屬機(jī)匣損傷、纖維織物變形等。

圖5 外部纏繞纖維織物的金屬機(jī)匣旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

3.2 典型的機(jī)匣包容試驗(yàn)方法

為準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)匣包容風(fēng)扇葉片碎片的能力，在專門的高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行接近實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況的部件試驗(yàn)。選取某級(jí)風(fēng)扇、壓氣機(jī)或渦輪葉盤和機(jī)匣安裝于高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)腔內(nèi)，使葉片在預(yù)定轉(zhuǎn)速從根部飛斷后撞擊機(jī)匣，從而驗(yàn)證其包容能力，旋轉(zhuǎn)部件包容試驗(yàn)裝置如圖6所示。該裝置具有相對(duì)成本低、周期短、試驗(yàn)結(jié)果可以直接應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 旋轉(zhuǎn)部件包容試驗(yàn)裝置

Stotler[27-28]選取葉尖直徑為1.1 m、尺寸較小的TF34發(fā)動(dòng)機(jī)的第1級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)。將2個(gè)相距180°的葉片使用爆炸沖擊方式同時(shí)釋放，保證轉(zhuǎn)子不平衡最小。包容環(huán)由2個(gè)180°半環(huán)拼成，可以通過同1次試驗(yàn)完成，最大程度地減小對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的損傷。典型的部件包容試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，繪制不同厚度的包容極限能量圖，為包容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

圖7 典型的部件包容試驗(yàn)結(jié)果

4 軟壁機(jī)匣纖維材料測(cè)試

軟壁機(jī)匣包容轉(zhuǎn)子的碎片主要由外層纖維織物進(jìn)行捕獲，因此纖維織物的選擇十分重要。由于平紋編織具有方式簡(jiǎn)單、容易獲取、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在國內(nèi)外的研究[29-31]中得到廣泛應(yīng)用。不僅可以對(duì)外層纖維材料進(jìn)行擇優(yōu)選擇，而且可以用于發(fā)展最適合纖維織物性能的材料模型，導(dǎo)入仿真軟件中，從而保證計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。纖維基本性能測(cè)試包括拉伸、剪切和摩擦測(cè)試；另外為了更好地分析纖維織物抗沖擊性能，進(jìn)行應(yīng)變率效應(yīng)和抗老化等性能測(cè)試。

4.1 織物基本性能測(cè)試

Naik[32]和Stahlecker[33]考核了不同種類Kevlar、Zylon纖維的力學(xué)性能，分別進(jìn)行了纖維纏繞和填充方向的拉伸、剪切和纖維層間摩擦試驗(yàn)。3種織物拉伸試驗(yàn)裝置分別如圖8～10所示。拉伸試驗(yàn)根據(jù)“ASTM D3039聚合物復(fù)合材料拉伸性質(zhì)測(cè)試方法”在MTS上進(jìn)行，分別進(jìn)行了kevlar49和Zylon纖維平紋織物的拉伸試驗(yàn)。由于其特殊性，需要考慮兩端夾持機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)和織物橫向收縮明顯的特點(diǎn)。首先運(yùn)用一邊曲線槽，另一邊V型槽的平板用于防止試樣發(fā)生滑移；其次利用延伸儀裝置來測(cè)量織物的橫向變形。應(yīng)力通過額定載荷與紗線平均截面面積的比值計(jì)算得到。結(jié)果表明：kevlar失效主要發(fā)生在織物的中間部分，而Zylon失效主要發(fā)生在加緊裝置附近。二者拉伸性質(zhì)類似，最大拉伸失效都表現(xiàn)出脆性。

圖8 3種織物拉伸試驗(yàn)裝置

依據(jù)“ASTM D3518聚合物復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行剪切性能測(cè)試。在試驗(yàn)中織物由方形金屬相框夾持，其剪切試驗(yàn)裝置如圖9所示。從圖中可見，考慮夾持裝置的滑動(dòng)，采用與拉伸試驗(yàn)相似的V型槽進(jìn)行固定。在試驗(yàn)前，鉸鏈連接夾角為90°，金屬框4邊長(zhǎng)鋼板將織物固定在與加載方向呈45°的位置。金屬框可以沿加載方向運(yùn)動(dòng)。上面的鉸鏈固定，下面的鉸鏈以0.254 cm/s的速率運(yùn)動(dòng)，通過執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體變形。通過Kevlar49剪切試驗(yàn)得出，在不同的剪切應(yīng)變值下，剪切模量是不斷變化的。另外，Mehta[34]研究了Kevlar等多種纖維剪切模量隨溫度的變化，發(fā)現(xiàn)Kevlar纖維在室溫下的剪切模量為0.5～1.0GPa，隨著溫度的升高，其剪切模量逐漸減小。

圖9 織物相框剪切試驗(yàn)裝置

纖維的摩擦試驗(yàn)方法主要有纖維-柱形系統(tǒng)法和力三角形測(cè)試法等。采用不同方法得出的數(shù)據(jù)往往差異較大，纖維摩擦性能測(cè)試方法還有待成熟。在Naik[32]和Stahlecker[33]試驗(yàn)中，進(jìn)行的纖維織物摩擦測(cè)試與以往的纖維絲測(cè)試不同，其試驗(yàn)裝置如圖10所示。利用摩擦力與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系來定義織物間的摩擦系數(shù)。從圖中可見，夾在2層相同織物間的1層織物使用水平執(zhí)行器進(jìn)行拉伸，通過垂直方向安裝的另1個(gè)執(zhí)行器對(duì)織物施加有效壓力為0.41MPa的法向載荷。試驗(yàn)后繪制最大拉力與法向載荷的曲線可以計(jì)算出材料的摩擦系數(shù)。在125mm/min的加載速率下，kevlar49的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.22和0.21，zylon 1500D的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)均為0.18。

圖10 摩擦測(cè)試試驗(yàn)裝置

4.2 應(yīng)變率效應(yīng)測(cè)試

研究表明纖維材料是率敏感性的，其率相關(guān)性通常通過分離Hopkinson桿試驗(yàn)（SHB）獲得。傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變率效應(yīng)試驗(yàn)是利用1維應(yīng)力波加載技術(shù)測(cè)試材料的動(dòng)態(tài)壓縮變形。由于纖維織物是柔性材料，不能承受壓縮力，故纖維的應(yīng)變率試驗(yàn)裝置需要在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。Don等g[35]設(shè)計(jì)類似Hopkinson拉桿的旋轉(zhuǎn)盤式桿拉伸裝置，采用纖維束拉伸試驗(yàn)方法，得到了Twaron長(zhǎng)絲在幾種應(yīng)變率下的拉伸曲線，指出在高速?zèng)_擊測(cè)試中計(jì)算模型必須引入纖維材料高應(yīng)變率下的材料參數(shù)。Xia和Wang[36]同樣采用拉伸試驗(yàn)方法，進(jìn)行了Kevlar49紗線的應(yīng)變率試驗(yàn)，基于SHB試驗(yàn)進(jìn)行了350 s-1的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維同時(shí)具有溫度和率效應(yīng)。紗線的彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及失效應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而增大，隨溫度升高而減小。

4.3 纖維老化試驗(yàn)

纖維織物長(zhǎng)時(shí)間使用后，在紫外線、高低溫等環(huán)境因素作用下，其機(jī)械性能下降，甚至變脆、龜裂以致無法使用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軟壁機(jī)匣外層纖維材料在長(zhǎng)久使用后也面臨著老化的危險(xiǎn)。為了選取性能優(yōu)良且可長(zhǎng)久使用的纖維，必須對(duì)其抗老化性能進(jìn)行研究。國內(nèi)外研究表明，纖維老化后，強(qiáng)度會(huì)明顯降低。不同的纖維，強(qiáng)度降低的程度不一樣；而斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)因纖維材料的不同而出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。目前對(duì)纖維老化的研究主要集中在熱氧、濕熱以及光老化等方面。張鵬[37]等研究了ZYLON纖維的熱氧以及濕熱老化中溫度的影響。依據(jù)GJB150.3A-2009和GJB150.9A-2009標(biāo)準(zhǔn)，在空氣熱氧、濕熱老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)。前者給出ZYLON纖維抗斷裂強(qiáng)度隨老化溫度的升高而降低；溫度越高，纖維強(qiáng)度降低得越快。斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，且隨著老化溫度的升高，纖維表面不再光滑，出現(xiàn)明顯的小缺陷及溝槽。后者試驗(yàn)指出隨著溫度的升高，老化試驗(yàn)后ZYLON纖維的強(qiáng)度保持率減小，強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼?0%左右，斷裂伸長(zhǎng)率增大。

文獻(xiàn)[38]中的數(shù)據(jù)顯示，Kevlar纖維在340mm波長(zhǎng)的光下照射450 h后，其拉伸強(qiáng)度損失89%。Carturan等[39]通過單絲拉伸試驗(yàn)研究低強(qiáng)度UV輻照對(duì)HM-PBO纖維拉伸強(qiáng)度的影響，得出在紫外光輻照下的HM-PBO纖維拉伸強(qiáng)度近似于正態(tài)分布，拉伸強(qiáng)度與輻照時(shí)間的關(guān)系取決于輻照強(qiáng)度。

目前纖維的老化試驗(yàn)主要針對(duì)纖維單束，對(duì)纖維織物的研究還有待開展。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，自主研制大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)復(fù)合材料軟壁包容風(fēng)扇機(jī)匣應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）可以通過試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行軟壁機(jī)匣包容性研究，確定最適合的軟壁包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)，加快研制速度，降低研制費(fèi)用。

（2）基于連續(xù)介質(zhì)模型的有限元分析技術(shù)，具有建模簡(jiǎn)便、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，可有效地應(yīng)用于工程分析。

（3）與直線打靶相比，旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)可以更有效地考慮軟壁機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)中所涉及到的關(guān)鍵因素，試驗(yàn)條件更接近實(shí)際運(yùn)行工況，在有效控制試驗(yàn)成本的前提下應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用。

（4）通過對(duì)纖維織物進(jìn)行性能測(cè)試，選取合適的外層纖維材料，發(fā)展適用的材料模型，可為風(fēng)扇機(jī)匣包容性數(shù)值仿真技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

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