● 摘要
近年来，鸟撞飞行器事故呈上升趋势，民用发动机入口的风扇叶片作为高吸力和大横截面积的旋转结构，极易遭受鸟撞的危害。风扇叶片受鸟撞击后会产生塑性变形甚至断裂，从而改变叶尖间隙、影响发动机气动性能和转子平衡、引起二次损伤甚至击穿机匣，因此各国针对鸟撞问题都制订了严格的发动机适航准则。目前人们对鸟撞钛合金实心叶片有一定的试验和仿真研究成果，但对于空心叶片的鸟撞问题研究较少，而目前国外很多先进的涡扇发动机为了减小叶片质量、提高叶片阻尼水平，均采用超塑成形/扩散连接工艺制造的各种空心结构形式的风扇叶片。同时，这些叶片鸟撞的研究成果仅限于获得一些撞后结构的动响应规律，并没有进一步给出叶片在抗撞性方面的结构优化设计思路。本文研究了实心和空心风扇叶片鸟撞数值模拟流程中的一系列问题，并提出了整体和局部两种基于抗撞性的空心风扇叶片结构优化策略。
本文首先基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合算法对鸟撞平板问题进行了数值模拟研究，通过与参考文献中的平板试验结果对比，首先讨论了鸟体网格数、鸟体本构模型对结果的影响，然后确定了最终的计算模型，计算结果与试验结果的变化趋势一致且数值大小合理，从而验证了该仿真算法的可靠性和鸟体本构模型的合理性；然后对相同外形的实心和空心风扇叶片进行了相同条件的鸟撞计算，结果表明：两者在撞击过程中的应力水平相当且破坏均只发生在叶片前缘，实心叶片前缘的变形明显大于空心叶片，其前缘的破坏则比空心叶片稍小；由于参考文献中对叶片Johnson-Cook本构模型参数的拟合结果与其试验结果相差较大，本文参考其TC4材料试验曲线对该本构参数的拟合方法进行了改进，改进后拟合结果与试验结果吻合较好，并将其与Cowper-Symonds本构模型在空心叶片鸟撞中的计算结果进行了对比，结果表明：基于相同试验数据的两种本构模型模拟出叶片的应力、应变的变化趋势及数值基本一致，但Johnson-Cook模型的计算结果随时间的波动幅度更小，其计算出的破坏程度略大。
最后对空心结构的风扇叶片进行了基于抗鸟撞性能的结构优化探索，提出了整体和局部两种优化思路。对于整体结构优化，采用了课题组已有的空心叶片参数化模型，根据前期试算结果和前人的研究经验，选取了4个主要结构设计变量，进行正交试验，以叶片的抗撞性为优化目标，兼顾叶片静强度和质量，对计算结果进行了直观分析和敏感性分析，得到了最优的变量取值结果。由于叶片受冲击最严重的部位是前缘，薄弱部位是空心结构，本文提出了对叶片前缘进行加厚、对靠近前缘空腔进行填实以及对整个空心结构进行铝泡沫填充三种局部结构优化策略，计算结果表明，对前缘加厚可使最大撞击应力减小约9.4%，对前缘空腔填实以及整体泡沫填充可使最大撞击应力减小约4%。这些计算结果和结论为空心叶片在基于抗撞性方面的结构优化设计研究提供了一定的帮助。