航空发动机真实机匣的包容性数值仿真

摘要： 为研究某型航空发动机机匣的包容性，以该发动机三级机匣为对象，模拟真实叶片与真实机匣模型的撞击过程，分析发动机转子转速在最低速和最高速下该机匣的包容性.结果表明，在发动机转子达到最高速时机匣出现非包容事件，叶片与机匣撞击产生的部分碎片飞出机匣.对机匣外侧缠绕凯夫拉材料和钛合金材料时机匣的包容性进行仿真和比较，发现凯夫拉材料能很好地吸收部分撞击能量，避免内层机匣出现大的变形，而钛合金材料比凯夫拉材料具有更好的包容性.

关键词： 发动机机匣； 包容性； 有限元； 数值模拟； ANSYS/LSDYNA

中图分类号： V232； V25； TB115.1文献标志码： B

引言

航空发动机转子非包容事件指发动机机匣发生破坏被击穿的事件.尽管非包容事件很少发生，但是一旦发生，就会导致严重的航空事故：高速高能的非包容碎片会击伤飞机的机舱、油箱、电器控制线路和液压管路等，引发机舱失压、油箱泄漏起火、电器失灵以及液压机构无法动作等二次破坏，最终导致机毁人亡.因此，在航空发动机的包容性研究中，对断裂叶片与机匣的撞击过程进行研究显得尤为重要.此外，在保证机匣包容性前提下合理设计机匣，使其耗材最少、质量最轻，也有十分重要的意义.

此外，随着发动机转子转速的不断提高，机匣结构的不断优化，多层结构机匣的研究正逐渐受到研究人员的关注.于连超等[10]对多层机匣的包容性进行数值仿真研究，对比分析在相同撞击条件下不同层数机匣的位移、塑性应变和能量等的变化，以及同层数机匣在有间隙与无间隙时的包容情况等.仿真结果表明，同厚度的不同层数机匣，层数越多包容效果越好；对于同层数机匣，层间无间隙机匣的包容效果优于有间隙机匣.然而对于多层机匣包容性的研究，目前还有很大空白，随着复合材料的不断推广，含复合材料的多层机匣结构的设计必将成为发动机技术发展的一个重大课题.

目前，一般采用ANSYS/LSDYNA和Dytran等模拟机匣包容性，其仿真结果可靠，与试验结果较符合.本文运用ANSYS/LSDYNA，采用JohnsonCook材料模型，模拟某压气机机匣中真实叶片与机匣的撞击过程.

1物理模型与计算方法

对钛合金材料的真实机匣模型的包容性进行数值模拟，计算模型根据真实机匣UG装配图（见图1）中叶片与机匣设计图纸建立.在以往的机匣包容性数值仿真中，研究人员往往采用同心圆筒结构和矩形叶片分别简化真实机匣和叶片模型；本文根据真实的机匣和叶片结构建立锥筒形机匣和曲面近似矩形叶片，其中，机匣分为三级，每级机匣对应有一组转子叶片和一组静止叶片.