三維編織/機(jī)織復(fù)材機(jī)匣包容性研究綜述

宋曼麗， 宣海軍， 何澤侃， 胡燕琪

（浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院 高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)外新研發(fā)的高性能大涵道比民用航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP）風(fēng)扇機(jī)匣。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)首次采用二維三軸編織碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣[1]，如圖1所示。隨后這種技術(shù)被應(yīng)用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)，并改進(jìn)為三維機(jī)織工藝[2]，如圖2所示。三維編織/機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于在厚度方向存在纖維增強(qiáng)，能夠有效抵抗沖擊分層，并可直接成型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要應(yīng)用方向。

本文擬從三維編織/機(jī)織特點(diǎn)、復(fù)合材料性能測(cè)試、抗沖擊能力的試驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)值仿真分析方法方面綜述復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣的包容性研究。

1 三維編織/機(jī)織特點(diǎn)

高速飛出的斷葉撞擊風(fēng)扇機(jī)匣產(chǎn)生厚度方向沖擊波，三維編織結(jié)構(gòu)增加了厚度方向紗線可有效提高織物抗沖擊強(qiáng)度。三維編織最基本的結(jié)構(gòu)是三維四向結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為改善性能還可以增加不同方向的紗線形成三維五向、六向等結(jié)構(gòu)。三維編織（3D Braided）通常采用“四步法”制造，成品的纖維束在空間內(nèi)互相纏繞，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而具有較高的抗分層性[3]。但目前機(jī)器只能織造尺寸較小的預(yù)制件，而手工編織的可靠性較差，因此三維編織結(jié)構(gòu)應(yīng)用于風(fēng)扇機(jī)匣還比較困難[4]，需要研發(fā)能夠低成本制造大尺寸復(fù)雜預(yù)制件的設(shè)備。

圖1 GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣

圖2 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣

三維機(jī)織（3D Woven）是在多層經(jīng)紗織造技術(shù)上發(fā)展的[5]，具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。三維機(jī)織在平面內(nèi)垂直排列經(jīng)紗（warp）與緯紗（weft），多層經(jīng)、緯紗堆疊后以 穿 層 接 結(jié) 紗（binder）“綁定”[6]。其中又以正交機(jī)織最為簡(jiǎn)單，如圖4所示，此結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣[7]。

2 復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

圖3 三維四向結(jié)構(gòu)

圖4 三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu)

風(fēng)扇機(jī)匣受碎片高速?zèng)_擊時(shí)主要破壞形式為平面內(nèi)的纖維拉伸與壓縮、厚度方向的壓縮和剪切。掌握復(fù)合材料力學(xué)性能可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，也可用于建立合適的數(shù)值仿真材料模型。為更好地研究復(fù)合材料抗高速?zèng)_擊的能力，還需要測(cè)定其應(yīng)變率相關(guān)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[8]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能強(qiáng)相關(guān)，而且三維編織/機(jī)織結(jié)構(gòu)需測(cè)定厚度方向的增強(qiáng)性能，但當(dāng)前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以層合板為主，適用于三維編織/機(jī)織結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與力學(xué)性能研究不多。

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）制定的ASTM D3039、ASTM D6641等標(biāo)準(zhǔn)[9-18]，規(guī)定了復(fù)合材料拉伸、壓縮、面內(nèi)剪切、面外拉伸和面外剪切等性能的測(cè)試方法。國(guó)內(nèi)也有GB/T 1447-2005、GB/T 1448-2005等標(biāo)準(zhǔn)[19-23]，但存在測(cè)試體系不全面、測(cè)試不適用于三維結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[24]、[31]研究了三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)拉伸性能，顯示拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性，主要失效模式是纖維與基體界面脫粘、纖維斷裂和纖維拔出，正交機(jī)織比二維復(fù)合材料具有更高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和損傷容限。文獻(xiàn)[26]、[27]、[29]、[32]～[36]研究了三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)壓縮性能，顯示壓縮破壞始于幾何缺陷周?chē)?，主要失效模式為分層和扭結(jié)帶形成，正交機(jī)織比二維復(fù)合材料具有更高的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。文獻(xiàn)[35]、[37]、[38]研究了三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能，顯示面內(nèi)剪切應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榉蔷€性響應(yīng)，主要破壞模式是相鄰紗線間剪切和基質(zhì)降解，提高纖維體積分?jǐn)?shù)能夠改善剪切性能。文獻(xiàn)[37]、[39]～[41]研究了三維機(jī)織復(fù)合材層間剪切性能，顯示層間剪切應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榉蔷€性響應(yīng)，損傷發(fā)生在樹(shù)脂富集區(qū)和接結(jié)紗周?chē)?，接結(jié)紗能有效抵抗分層和裂紋擴(kuò)展。文獻(xiàn)[39]～[40]研究了三維機(jī)織復(fù)合材厚度方向拉伸性能，顯示厚度方向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變基本線性，主要失效模式是纖維拔出和斷裂。

三維機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)與厚度方向性能測(cè)試的典型方式如圖5與圖6所示，但具體實(shí)施過(guò)程中還存在較多困難需解決。文獻(xiàn)[29]發(fā)現(xiàn)應(yīng)變片短于單胞長(zhǎng)度易造成數(shù)據(jù)分散性較高，測(cè)量區(qū)域表面樹(shù)脂開(kāi)裂易導(dǎo)致應(yīng)變片脫粘失效。文獻(xiàn)[30]、[31]使用聲發(fā)射、DIC、X射線和光學(xué)顯微鏡記錄裂紋擴(kuò)展和損傷進(jìn)展，獲得了完整應(yīng)變場(chǎng)。不同單胞尺寸應(yīng)使用不同剪切夾具[35,38]，使用IITRI夾具能有效避免壓縮測(cè)試過(guò)程中試樣側(cè)向彎曲[36]。厚度拉伸試驗(yàn)中沙漏狀試件方便夾持，但因試件最小橫截面小于單胞尺寸而造成測(cè)試結(jié)果偏保守[40]。圓柱形試驗(yàn)可用于測(cè)量厚度方向的拉伸強(qiáng)度，試樣采用膠水與金屬拉塊相接[39]，但三維編織材料厚度方向強(qiáng)度較高，只有粘接強(qiáng)度更高的膠水才能保證試驗(yàn)中不脫粘。

圖5 面內(nèi)性能測(cè)試方式

圖6 厚度方向性能測(cè)試方式

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能常用霍普金森桿（SHPB）沖擊試驗(yàn)獲?。ㄈ鐖D7），研究發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)應(yīng)變率不敏感，而樹(shù)脂有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。Hou等[42]研究認(rèn)為以基體為主的抗壓強(qiáng)度、泊松比、面內(nèi)剪切等性能與應(yīng)變率相關(guān)，以纖維為主的面內(nèi)拉伸性能與應(yīng)變率無(wú)關(guān)，文獻(xiàn)[43]、[44]有類(lèi)似結(jié)論。Chocron等[40]研究認(rèn)為三維機(jī)織復(fù)合材料平面內(nèi)和厚度方向拉伸性能與應(yīng)變率無(wú)關(guān)，但Robert等[45]的研究則認(rèn)為面內(nèi)和面外拉伸及層間剪切性能明顯的應(yīng)變率相關(guān)，而面外壓縮應(yīng)變率無(wú)關(guān)。Zhang等[46]研究表明隨著應(yīng)變率的增加厚度方向吸能遠(yuǎn)高于面內(nèi)，紗線在表面和局部區(qū)域彎曲易產(chǎn)生破壞。黃雄等[47]的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)表明材料的極限強(qiáng)度和彈性模量隨應(yīng)變率上升而增大，脆性也更高；面內(nèi)壓縮失效模式為纖維束和基體界面剪切失效、纖維滑移、基體壓潰，厚度方向則為纖維束剪切斷裂和基體剪切屈服。

目前纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能測(cè)試以拉伸壓縮居多，對(duì)剪切研究較少。而且測(cè)試多在室溫下進(jìn)行，高溫天氣在地面工作時(shí)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣溫度可達(dá)到150～200 ℃，碎片劇烈撞擊會(huì)導(dǎo)致機(jī)匣局部急速升溫，因此還需要測(cè)試高溫下復(fù)合材料力學(xué)性能，探究材料溫升效應(yīng)。

3 包容能力的試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)匣包容性能力的試驗(yàn)驗(yàn)證通常按階段分為打靶試驗(yàn)、部件或真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證試驗(yàn)[48]。

3.1 打靶試驗(yàn)

打靶試驗(yàn)可分為平板打靶和旋轉(zhuǎn)打靶。平板打靶裝置如圖8所示，具有周期短、成本低的特點(diǎn)，能快速檢驗(yàn)復(fù)合材料的抗彈性能。打靶試驗(yàn)采用空氣炮進(jìn)釋放彈體撞擊試驗(yàn)平板，采用高速相機(jī)或者激光測(cè)速裝置測(cè)得彈體入射速度和出射速度。Roberts等[49]發(fā)現(xiàn)平板彈體會(huì)產(chǎn)生偏離和轉(zhuǎn)動(dòng)，而圓柱彈則可避免干擾，二者的失效模式相同。有研究顯示[50]葉片前緣與機(jī)匣撞擊形成的半圓形前緣最具破壞性，可將彈體設(shè)計(jì)成帶有前緣的圓柱體；也可將靶板設(shè)計(jì)成類(lèi)似于機(jī)匣的半圓環(huán)形[51]。

圖7 動(dòng)態(tài)壓縮高速攝影

圖8 平板打靶試驗(yàn)

Roberts等[49]的研究認(rèn)為纖維對(duì)彈道極限影響較大，采用AS4/PR520、IM7/E-862比IM7/PR520制造的平板彈道極限分別下降18%與6%。R.Munoz等[52]發(fā)現(xiàn)正反面不同的靶板，從碳纖維面比從玻璃纖維面入射的彈道極限高10%。練軍等[53]研究發(fā)現(xiàn)三維編織平板的彈道極限與厚度呈非線性關(guān)系，平板正面壓縮、剪切破壞，反面拉伸破壞。劉元坤等[54]發(fā)現(xiàn)三維正交機(jī)織結(jié)構(gòu)比三維編織結(jié)構(gòu)具有更高的彈道極限。平板打靶試驗(yàn)可以看出，纖維是吸收彈體沖擊動(dòng)能主要成份，靶板正、反面破壞模式不同，彈道極限受材料厚度、纖維體積分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)等影響。因此，設(shè)計(jì)風(fēng)扇包容機(jī)匣時(shí)，應(yīng)選擇高強(qiáng)度的碳纖維制作預(yù)制體，確定合理的機(jī)匣厚度，內(nèi)外壁可選擇不同的材料和結(jié)構(gòu)以充分發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)。

平板打靶試驗(yàn)可以初步篩選出具有高抗沖擊性的材料，但是彈體只具有垂直于靶板方向的速度，無(wú)法完全表征出機(jī)匣包容過(guò)程中關(guān)鍵因素的影響。因此，有必要在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)（如圖9），試件為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化縮小后的環(huán)形件，彈體為模擬風(fēng)扇葉片，根部預(yù)制裂紋后加速至預(yù)定轉(zhuǎn)速飛斷撞擊環(huán)形件。通過(guò)采集機(jī)匣外壁的應(yīng)變信號(hào)，可得到機(jī)匣模擬件受撞擊時(shí)周向和軸向沖擊波的傳播過(guò)程；并可用高速相機(jī)拍攝記錄葉片飛脫撞擊機(jī)匣模擬件的過(guò)程，分析撞擊過(guò)程葉片的偏轉(zhuǎn)變形和機(jī)匣模擬件的損傷等。相比于平板打靶，旋轉(zhuǎn)打靶得到的彈道極限更高，能夠體現(xiàn)出失效的葉片碎片沿切線飛出和沿質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)，更接近于實(shí)際過(guò)程。

圖9 旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)

3.2 整機(jī)適航包容試驗(yàn)方法

全新研制的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須通過(guò)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)包容試驗(yàn)才能獲得適航許可證。2007年7月GE公司完成GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)包容性適航試驗(yàn)[55]，并于2008年3月獲FAA認(rèn)證[56]。2011年5月CFM公司[57]宣布成功完成了LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣包容能力的臺(tái)架測(cè)試，2016年5月獲得FAA和EASA的聯(lián)合認(rèn)證[58]。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)包容試驗(yàn)后損傷難以修復(fù)，試驗(yàn)費(fèi)用較高，通常放在最后一步進(jìn)行。

4 包容能力的數(shù)值仿真分析方法

三維機(jī)織/編織復(fù)合材料機(jī)匣包容能力的數(shù)值仿真分析，受建模復(fù)雜性的限制，很少采用真實(shí)尺寸的機(jī)匣，通常以小尺寸平板為研究對(duì)象，建模方法主要有連續(xù)介質(zhì)模型和紗線模型。

4.1 連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型不考慮織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將纖維和樹(shù)脂基體視為整體，將其簡(jiǎn)化為正交各向異性的連續(xù)體，在本構(gòu)模型中描述纖維的變形行為，材料參數(shù)由性能測(cè)試獲得，可得出整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（如圖10），適用于工程分析。

Binenda等[59 -60]提出使用殼單元和積分點(diǎn)的簡(jiǎn)化建模方法，厚度方向由殼單元構(gòu)成，殼單元又分為4個(gè)子胞模擬編織結(jié)構(gòu)和定義纖維方向，Li[61]將單胞進(jìn)一步分為6個(gè)子單元以提高計(jì)算效率。Ma等[62-63]根據(jù)三維編織結(jié)構(gòu)提出了“米”字形模型和“纖維傾斜”模型，這種方法在近似模擬復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)行為時(shí)是較為有效的，但由于忽略了纖維基本構(gòu)造而降低了準(zhǔn)確度。Mathieu等[64]針對(duì)三維機(jī)織開(kāi)發(fā)了一種用于三維六面體有限元的正交異性本構(gòu)模型。Pankow等[65]將三維機(jī)織每一層視為正交各向異性連續(xù)介質(zhì)，使用殼單元進(jìn)行模擬。Sun等[66]推導(dǎo)出三維正交機(jī)織復(fù)合材料總體剛度矩陣，采用連續(xù)介質(zhì)模型分析彈道沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 紗線模型

紗線模型按照纖維束走向分別建立纖維束和樹(shù)脂基體模型，可直觀反映纖維束和纖維束、纖維束和基體之間的相互作用，有助于研究復(fù)合材料內(nèi)部作用機(jī)理，如圖11所示。

圖10 基于連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)值仿真

圖11 基于紗線模型的數(shù)值仿真

Barbero等[69]、Duan等[67-68]在紗線上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)建立有效的材料特性。Naouar等[69]使用CT成像自動(dòng)建立三維機(jī)織織物的紗線模型。練軍[70]和Tan[71-72]模擬三維編織過(guò)程獲得纖維束的空間控制點(diǎn)坐標(biāo)，從而生成了整個(gè)紗線模型。

4.3 紗線-連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型計(jì)算效率高卻不能精準(zhǔn)表征復(fù)材結(jié)構(gòu)，對(duì)損傷預(yù)測(cè)相對(duì)粗糙；紗線模型可以較準(zhǔn)確地反映纖維損傷和基體開(kāi)裂，但耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間，難以滿足工程需求。因此學(xué)界發(fā)展出一種結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的仿真方法-組合多尺度建模方法（Combined Multiscale Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)CMM），在受沖擊中心部位采用紗線模型，遠(yuǎn)處則采用連續(xù)介質(zhì)模型，界面上采用合適的連接方法。常用方法有直接連接法和基于子模型技術(shù)的方法。直接連接法中，界面兩側(cè)不同單元通過(guò)共享節(jié)點(diǎn)或數(shù)學(xué)插值物理連接，直觀地表現(xiàn)出多尺度共存的結(jié)果（如圖12）[73]?；谧幽Ｐ图夹g(shù)的方法比直接連接法更加靈活和穩(wěn)定，可根據(jù)需要建立多級(jí)子模型，對(duì)界面連續(xù)性要求不高，大大簡(jiǎn)化了建模和劃分網(wǎng)格工作[74-75]。CMM方法既可保證計(jì)算效率，又能捕獲局部受損區(qū)域精細(xì)化的材料力學(xué)響應(yīng)，但仍需要更多的實(shí)踐使用經(jīng)驗(yàn)積累。當(dāng)然，這種結(jié)合兩種模型優(yōu)點(diǎn)而且易于實(shí)現(xiàn)的方法將會(huì)大大提高學(xué)者和工程師的工作效率，未來(lái)有廣泛的應(yīng)用前景。

圖12 紗線-連續(xù)介質(zhì)模型

5 結(jié) 語(yǔ)

以上綜述表明，開(kāi)展大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣包容性研究應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：1) 三維編織/機(jī)織結(jié)構(gòu)通過(guò)增加厚度方向紗線，能有效抑制沖擊分層。三維編織結(jié)構(gòu)目前還難以利用自動(dòng)化編織機(jī)制造大尺寸預(yù)制件，手工制作存在力學(xué)性能不穩(wěn)定、制作費(fèi)用高等缺點(diǎn)。因此，技術(shù)相對(duì)成熟的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)是全復(fù)合材料機(jī)匣的首選。2)開(kāi)展靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試可獲取工程設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真建模所需的材料參數(shù)。但常見(jiàn)的層合板測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并不適用于三維結(jié)構(gòu)，需要在測(cè)試方法和測(cè)量手段方面開(kāi)展研究，建立完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系。考慮到復(fù)合材料機(jī)匣真實(shí)使用環(huán)境，還需注重材料高溫下的力學(xué)性能測(cè)試和高速?zèng)_擊溫升效應(yīng)。3)與平板打靶相比，旋轉(zhuǎn)打靶更符合發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)葉片丟失過(guò)程。因此，今后應(yīng)在平板打靶試驗(yàn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加縮比件旋轉(zhuǎn)打靶試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接用于推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式，指導(dǎo)整機(jī)包容試驗(yàn)的開(kāi)展。4)細(xì)觀和宏觀結(jié)合的紗線-連續(xù)介質(zhì)模型能夠兼顧局部沖擊損傷機(jī)理分析和工程應(yīng)用需求，盡管仍需要很多的技術(shù)改進(jìn)，但未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。