■ 孔維夷 徐焱 張璇 張建 譚智勇 侯乃先 胡壽豐/ 中國航發(fā)商發(fā)

聚酰亞胺-碳纖維混編復(fù)合材料方案解決了風(fēng)扇機(jī)匣的輕量化與包容性兩項(xiàng)關(guān)鍵性能同步改善的難題，可提升商用航空發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，但傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)、仿真、制造和測試方法已不能完全適用，針對此種情況，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開展了技術(shù)攻關(guān)。

在外物沖擊或自身內(nèi)部缺陷的影響下，風(fēng)扇葉片可能發(fā)生失效脫落（FBO）。為保障飛行安全，適航法規(guī)要求風(fēng)扇包容機(jī)匣必須包容脫落葉片和隨之產(chǎn)生的高能碎片，并通過整機(jī)破壞性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。風(fēng)扇包容機(jī)匣是發(fā)動機(jī)上最大的靜止件，單純增加厚度來提升包容性無疑會為發(fā)動機(jī)增加額外的質(zhì)量。此外，風(fēng)扇包容機(jī)匣在整機(jī)中的質(zhì)量占比會隨著涵道比的增大不斷增加。因此，兼?zhèn)漭p質(zhì)和包容性能的風(fēng)扇包容機(jī)匣的研制，無疑是商用航空發(fā)動機(jī)研發(fā)中最重要、最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)之一。近年來，國產(chǎn)聚酰亞胺纖維的性能和穩(wěn)定性不斷提高，其力學(xué)性能、耐紫外線和吸濕性能均明顯優(yōu)于芳綸纖維，為采用聚酰亞胺-碳纖維混合編織復(fù)合材料改善風(fēng)扇機(jī)匣的輕量化和包容性提供了可能。

混編復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析方法與工具開發(fā)

由于聚酰亞胺-碳纖維混合編織復(fù)合材料引入了新的纖維類型，因而比單種纖維的編織復(fù)合材料有著更加豐富的可設(shè)計(jì)性，但3種組分的協(xié)同作用又共同影響著復(fù)合材料的性能，出現(xiàn)多級破壞的現(xiàn)象，進(jìn)行仿真分析的難度極大。常用的單胞建模分析方法涉及到幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加周期性邊界條件、求解和結(jié)果后處理的工序，步驟多、周期長，對人員要求高，易出錯(cuò)。而更為復(fù)雜的混編方案依然使用上述流程逐一建模分析顯然不太現(xiàn)實(shí)。

自動化單胞建模分析不同混編方案

因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)結(jié)合混編復(fù)合材料實(shí)際參數(shù)的表征、測試，改善了仿真方法與流程，再通過Python語言對仿真軟件Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動化的混編復(fù)合材料性能預(yù)測，可一鍵完成復(fù)雜的單胞建模與分析過程，求解混編復(fù)合材料的等效材料性能，剛度性能預(yù)測仿真誤差在5%以內(nèi)，性能預(yù)測分析耗時(shí)縮減了90%以上。由此大幅減少了研制所需的試驗(yàn)量，減少了對人員經(jīng)驗(yàn)、能力的依賴，提升了混編復(fù)合材料分析的一致性、正確性和準(zhǔn)確性。

混編復(fù)合材料成型

兩種不同的纖維材料除了給仿真分析帶來困難以外，也給制造和加工帶來了挑戰(zhàn)。加入聚酰亞胺纖維后，纖維預(yù)制體的滲透率發(fā)生改變，同時(shí)聚酰亞胺纖維具有不易浸漬的特點(diǎn)，使得以往的成型工藝與經(jīng)驗(yàn)難以直接應(yīng)用。因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于滲透率測試與工藝仿真，研究了注射壓力、速度等參數(shù)對成型質(zhì)量的影響，優(yōu)化注射流道設(shè)計(jì)與成型參數(shù)。在注射過程前期采用低注射壓力，使樹脂充分浸潤預(yù)制體內(nèi)部的纖維，在注射后期提高注射壓力，確保在樹脂工藝窗口內(nèi)完成注射，提升了混編復(fù)材的成型質(zhì)量。而且，聚酰亞胺纖維有著韌性好、但與環(huán)氧樹脂匹配性差的特點(diǎn)，這種高韌性的纖維通過相對脆弱的樹脂基體結(jié)合到一起，即使最簡單的平板切割也容易出現(xiàn)纖維起毛、樹脂劈裂等加工質(zhì)量問題，無法用于后續(xù)的測試。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過刀具篩選試驗(yàn)、刀具轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、進(jìn)給速度試驗(yàn)等開展機(jī)加工藝研究，結(jié)合高壓水切割等方法探索，最終獲得了聚酰亞胺纖維混編復(fù)合材料高質(zhì)量加工的工藝方法。

混編復(fù)合材料機(jī)匣“積木式”仿真與試驗(yàn)

混編復(fù)材成型與制造優(yōu)化

復(fù)合材料構(gòu)件的性能與耐久性的驗(yàn)證過程，通常是一個(gè)包含試驗(yàn)和分析的復(fù)雜過程。逐一檢驗(yàn)各種幾何特征、載荷、環(huán)境和失效模式所需要的試件數(shù)目巨大，單純使用試驗(yàn)手段需要承受高額的測試費(fèi)用，而只使用分析手段則不能足夠精確地預(yù)測每種情況下的結(jié)果。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“積木式”的研發(fā)方法，將復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣復(fù)雜的包容問題進(jìn)行合理解耦，逐級分解。按目前的研制階段，在基礎(chǔ)的材料級和元件級，策劃開展6類、37項(xiàng)測試與驗(yàn)證，對聚酰亞胺纖維混編復(fù)合材料仿真與測試技術(shù)開展研究，逐項(xiàng)仿真、逐級驗(yàn)證，最終建立了混編復(fù)合材料機(jī)匣的包容仿真分析方法。

“積木式”仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

鈦合金彈片沖擊不同類別的混編復(fù)合材料

混編復(fù)合用于包容機(jī)匣后的效果

在材料級，除了開展常規(guī)的組分性能試驗(yàn)和復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)外，還存在一項(xiàng)當(dāng)務(wù)之急，即根據(jù)機(jī)匣FBO包容特點(diǎn)正確開展混編復(fù)合材料沖擊性能的表征試驗(yàn)，并從中選出沖擊效果最佳的混編方案。這是因?yàn)樵诒姸嗟幕炀幙赡苄悦媲埃词褂袕?qiáng)大的仿真預(yù)測工具來尋找沖擊性能最優(yōu)的混編方案，所要探索的設(shè)計(jì)空間依然過于巨大。但復(fù)合材料沖擊性能受測試方法的影響巨大，而目前的沖擊測試方法普遍無法體現(xiàn)機(jī)匣FBO沖擊包容的特點(diǎn)，以此指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能會導(dǎo)致結(jié)果南轅北轍。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)從頂層的機(jī)匣FBO包容出發(fā)，通過查找文獻(xiàn)與數(shù)值仿真，結(jié)合前期研制經(jīng)驗(yàn)，逐一甄別事件中的關(guān)鍵邊界條件與關(guān)鍵沖擊模式，開發(fā)了體現(xiàn)機(jī)匣包容沖擊特點(diǎn)的復(fù)合材料平板鈦合金彈片沖擊試驗(yàn)方法；在此基礎(chǔ)上，通過精心設(shè)計(jì)的交叉對比試驗(yàn)，通過少量試驗(yàn)研究了混編方案中的主要類別，如層間混編、層內(nèi)均勻混編、紗線混股等；并從中確定了層內(nèi)均勻混編的類別具有最佳的抗沖擊性能；再結(jié)合仿真，在該類別中開展精細(xì)化混編方案優(yōu)化設(shè)計(jì)；最終，優(yōu)化混編方案經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對比織物結(jié)構(gòu)相同的T800級碳纖維復(fù)合材料，鈦合金彈片沖擊試驗(yàn)中的臨界沖擊動能提升了45%，對比T800級碳纖維/增韌環(huán)氧樹脂的鋪層復(fù)合材料，臨界動能提升了107%。

在元件級，團(tuán)隊(duì)對該優(yōu)選混編方案的應(yīng)用效果進(jìn)行了進(jìn)一步評估與驗(yàn)證。完成了與機(jī)匣包容區(qū)厚度相當(dāng)?shù)拇蟪叽缁炀帍?fù)合材料平板制造，在楔形子彈沖擊試驗(yàn)中，對其包容效果進(jìn)行評估。該沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)一步體現(xiàn)了復(fù)合材料葉片、金屬加強(qiáng)邊沖擊機(jī)匣的角度、切速度等因素對包容性的影響。結(jié)果表明，以上優(yōu)選的混編方案，對比完全使用碳纖維三維機(jī)織復(fù)合材料平板，相同沖擊能量下，靶板的侵徹?fù)p傷深度下降66%，而質(zhì)量還減輕了7%。通過該試驗(yàn)，混編復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊仿真方法得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

基于上述標(biāo)定后的仿真方法和參數(shù)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開展了混編復(fù)合材料用于風(fēng)扇包容機(jī)匣的FBO包容仿真研究?？紤]脫落葉片的首次沖擊，以及尾隨葉片對脫落葉片加速后的二次沖擊和后續(xù)沖擊，對比完全使用碳纖維三維機(jī)織復(fù)合材料的包容機(jī)匣，混編復(fù)合材料使機(jī)匣的包容能力大幅提升，碎片侵徹?fù)p傷深度下降了40%，而機(jī)匣的質(zhì)量減少了33kg。值得一提的是，該結(jié)果是在不改變機(jī)匣幾何結(jié)構(gòu)的情況下獲得的。

混編復(fù)合材料機(jī)匣效益分析

參考相關(guān)資料中的數(shù)據(jù)，根據(jù)目前的結(jié)果推算，由于使用混編復(fù)合材料風(fēng)扇包容機(jī)匣技術(shù)，僅機(jī)匣一項(xiàng)，一架雙發(fā)民航客機(jī)每年可節(jié)省燃油792 萬L，降低運(yùn)營成本396 萬美元。綜上可以看出，該項(xiàng)技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的成功應(yīng)用，有望帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，也能助力“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略的早日實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的新型高性能聚酰亞胺-碳纖維混編復(fù)合材料取得了比純碳纖維復(fù)合材料更強(qiáng)的包容性，同時(shí)顯著減輕了質(zhì)量。后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)將對包容機(jī)匣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化，再結(jié)合差異化的混雜模式，有望顯著提升包容機(jī)匣與發(fā)動機(jī)可靠性、質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性。