碳纤维复材在航空发动机上的应用与冲击损伤问题分析

2024-02-09黄文博许艳云严浩王赛

科技资讯 2024年24期

摘要：碳纤维增强复合材料于先进航空发动机的应用日趋广泛，其应用比例持续上升且种类愈发多样。但发动机复杂的工作环境及复材的特定应用部位，使其常面临外物冲击，导致结构受损，承载能力下降。通过梳理碳纤维复材在航空发动机上的应用现状，分析了可能遭受的冲击问题类型，开展了典型碳纤维层板冲击试验，揭示了不同冲击能量下损伤模式及演化规律，为其在航空发动机领域的应用研究提供了参考。

关键词：航空发动机""碳纤维增强复合材料""层合板""冲击损伤""损伤模式

Analysis"of"the"Application"and"Impact"Damage"Problems"of"Carbon"Fiber"Composites"in"Aircraft"Engines

HUANG"Wenbo""XU"Yanyun""YAN"Hao""WANG"Sai

AECC"Hunan"Aviation"Powerplant"Research"Institute，"Zhuzhou，"Hu’nan"Province，"412002"China

Abstract："The"application"of"carbon"fiber"reinforced"composite"materials"in"advanced"aircraft"engines"is"becoming"increasingly"widespread."The"application"proportion"continues"to"rise"and"the"types"are"becoming"more"diverse."However，"due"to"the"complex"working"environment"of"the"engine"and"the"specific"application"parts"of"the"composite"material，"it"often"faces"external"object"impacts，"resulting"in"structural"damage"and"a"decrease"in"bearing"capacity."By"sorting"out"the"application"status"of"carbon"fiber"composites"in"aircraft"engines，"it"analyzes"the"types"of"possible"impact"problems，"and"conducts"impact"tests"on"typical"carbon"fiber"laminates，"reveals"the"damage"modes"and"evolution"laws"under"different"impact"energies，"providing"a"reference"for"its"application"research"in"the"field"of"aircraft"engines.

Key"Words："Aircraft"engine;"Carbon"fiber"reinforced"composites;"Laminates;"Impact"damage;"Damage"mode

大涵道比涡扇发动机具备耗油率低、推重比高等特性，是当前商用客机与大型运输机常用的动力来源。随着涡扇发动机推力持续提升，涵道比也不断增大，如GE90发动机的风扇的直径已达到"3.251"m，与一架中型客机的机舱截面宽度相近。过大的风扇直径使其在自身重量、结构安装，以及转子动力学设计等方面面临更为棘手的难题，同时也致使发动机总重量增加，影响经济性。所以，采用先进的复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料，能够降低发动机重量，改善因风扇集中质量过大引发的转子支撑与动力学问题，降低设计难度，提升发动机性能[1-3]。

众所周知，碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、良好的振动特性、损伤容限能力等优势，然而在发动机应用环境下，尤其是作为风扇叶片[4]、风扇机匣、外涵机匣等外部结构时，难以承受可能出现的外物冲击，产生的分层、纤维断裂等损伤会对结构的剩余强度产生不可忽视的影响。因此，对纤维增强复合材料的冲击损伤问题展开分析探讨，对其在航空发动机中的可靠应用具有重要意义。

本文阐述了碳纤维增强复合材料在航空发动机上的应用现状，并着重针对其面临的冲击损伤问题结合高速冲击试验进行了分析与讨论。

1"碳纤维复材在航空发动机中的应用

1.1航空发动机碳纤维复材应用现状

碳纤维增强复合材料是通过碳纤维铺层或编织后用树脂浸润固化而成，在常温条件下力学性能稳定，还可通过不同的铺层设计出具有各向异性承载效果的材料，定制化地满足航空发动机不同部位的传力要求。当前，世界知名的航空发动机公司，如美国通用公司（GE）、英国罗·罗公司、美国普惠公司等，均已在主要涡扇发动机产品的风扇叶片、风扇机匣等结构中大量使用碳纤维增强复合材料。

其中较为典型的代表有GE90系列、GEnx、TRENT1000、TRENT-XWB[5]、PW1000G、LEAP系列等大型商用涡扇发动机，均使用了碳纤维复合材料加工的风扇叶片（如图1所示），此外碳纤维复合材料在CFM56、V2500等较小直径的涡扇发动机风扇叶片中也有应用。常用于风扇叶片的复合材料增强体类型包括单向带类织物、三维机织物等。例如：GE90、GE9X、GEnx、TRENT1000都采用了铺层复合材料叶片，以单向带类织物作为预浸料；LEAP-X发动机风扇叶片则采用三维机织复合材料。

相较于风扇叶片，碳纤维复合材料应用于风扇机匣、外涵机匣等部位时，无需承受较大的径向力、气动扭转变形，以及风扇工作循环产生的疲劳载荷，同时遭受迎风面外物冲击的概率也有所降低，但需要考虑发动机总体传力、包容等性能。由于对各向异性承力要求降低，机匣所使用的碳纤维复材增强体更多地采用二维三轴编织物或三维编织物，如GEnx发动机采用了二维三轴复合材料机匣；GE9x、LEAP-X发动机则采用了三维机织复合材料。值得一提的是，机匣使用的复合材料中，并非仅有碳纤维增强复合材料一种，如GE90、TRENT系列发动机就使用了外部缠绕芳纶织物的金属复材机匣。

1.2航空发动机碳纤维复材冲击问题

任何载荷均由使用场景决定。风扇叶片面临的主要冲击问题是发动机服役过程中受到的由飞鸟、冰雹、冰片、沙石等外物引发的冲击。这些冲击物在质量、大小、形状与硬度上各不相同，但对风扇叶片都有较为严重的危害。冲击能量较高时，可能瞬间导致叶片结构损伤或断裂，使叶片失去承载能力；而冲击能量较低时，复合材料的内部分层、表面纤维断裂也可能随着叶片的工作快速演化，或对转子的不平衡量产生较大影响，危害发动机的安全运转。对于机匣而言，更为典型的冲击条件是由叶片脱落导致的，通常研究机匣的包容性问题[6]。

风扇叶片和机匣使用碳纤维复合材料需要满足适航条款中的规定。根据《航空发动机适航标准》（CCAR-33），要求风扇叶片在遭受2.5"磅的鸟体冲击后20min"内，发动机必须能保持"75%"的起飞推力；在发生风扇叶片飞出事件时不能有非包容碎片飞出发动机，并且发动机在15"s内不能起火。因此，为使碳纤维复合材料能够在航空发动机中安全使用，需要从损伤机理、抗冲击性能预测等多方面开展研究，制定相应的设计标准与考核方法。

2"碳纤维复材冲击损伤分析

2.1"冲击试验

为了解碳纤维复合材料在冲击条件下的损伤规律，采用典型碳纤维层板开展元件级冲击损伤试验。冲击试验所用的碳纤维复合材料采用二维编织预浸料铺叠形成，材料为正交各向异性。铺层后的材料被切割为100"mm"×100"mm的方形试样，并通过夹具固定。

冲击物选用钢制弹丸，通过压缩空气炮发射，并在炮膛出口通过红外测速仪测量出射速度，冲击能量控制在200～350"J范围内。

2.2"冲击损伤结果分析

根据试验结果，该试验的冲击速度范围包含了试样的弹道极限，分别出现了弹丸反弹、嵌入和穿透三种冲击结果（如图2所示）。

随着冲击速度的增加，3种冲击结果依次发生。可以看出，在弹丸入射面上，材料的损伤是一个近似圆孔，周围材料断裂均匀，损伤并未在表层扩展；在弹丸出射面，损伤面积较入射面增大，且呈现出近似十字交叉状的裂纹。通过侧面图片可以发现，出射面的材料隆起高度在嵌入时最高，反弹时次之，而穿透时最低。

对试样进行超声波无损检查，分层情况如表1所示。分层面积及最大直径均为嵌入时最大，反弹时次之，而穿透时最低。

由图2可以看出，在不同的冲击能量下，碳纤维复合材料的损伤模式与演化规律发生了改变。当冲击能量较低时，弹丸不足以穿透试样，冲击能量绝大部分被试样吸收，表层出现纤维剪切断裂，深层则出现层间分层；当能量升高时，弹丸嵌入试样中，冲击能量全部被试样吸收，此时，2种损伤模式程度同时加强，发生剪切断裂的材料层数增加，且分层情况加剧；而能量进一步升高后，弹丸迅速侵彻而过，仍保有一定剩余能量，试样仅吸收了一部分冲击能量，此时，损伤模式发生变化，材料受剪切断裂的比例增加，而分层扩展情况减弱。

2.2"冲击损伤模式变化规律

由于碳纤维复材由增强纤维与基体两部分组成，纤维的拉伸或剪切断裂较基体破坏更为困难。当弹丸未达到材料的弹道极限速度时，冲击能量并不足以造成纤维断裂，仅能通过基体材料的损伤扩展使能量逐渐耗散。

因此，碳纤维复合材料层板的冲击损伤模式随着冲击能量的升高，表现出从大面积分层与纤维拉伸断裂向小面积分层与纤维剪切断裂转变，在厚度方向从纤维剪切断裂到拉伸断裂、从基体压溃到分层破坏转变。

在开展发动机碳纤维复材结构设计时，应结合冲击损伤模式变化规律，考虑冲击条件下的结构完整性与剩余强度。

3结论

本文通过分析碳纤维复合材料在航空发动机上的使用部位与工作环境，结合典型碳纤维层板冲击试验，得出以下结论。

（1）碳纤维复材于航空发动机多部位广泛应用，应根据应用部位承载特性选择不同增强体类型。

（2）碳纤维复材层板的冲击损伤模式随冲击能量升高，表现出从大面积分层与纤维拉伸断裂向小面积分层与纤维剪切断裂转变，在厚度方向从纤维剪切断裂到拉伸断裂、从基体压溃到分层破坏转变的规律。

（3）对不同部位复材结构，应结合冲击损伤模式变化规律，开展相应的抗冲击问题研究，提升复材结构的剩余强度、安全性与可靠性。

参考文献