[发明专利]一种变编织角的三维编织复合材料机匣及设计方法

说明书

本发明公开了一种变编织角的三维编织复合材料机匣，包括断裂叶片撞击的包容区，所述包容区的机匣采用最优编织角的复合材料编织构型，所述最优编织角通过对编织角度不同的打靶试验件进行打靶试验得到；打靶试验件曲率与包容区的机匣曲率一致，所述打靶试验得到不同编织角度下复合材料的弹道极限，然后基于统计规律插值得到最优编织角。将现有机匣进行包容区划分并对其进行针对性设计，包容区采用三维编织复合材料的最优编织角提高机匣的包容区的抗冲击性能。

技术领域

本发明涉及编织复合材料机匣，具体涉及一种变编织角的三维编织复合材料机匣及其设计方法。

背景技术

复合材料相对于传统金属材料具有质量轻、耐腐蚀、抗冲击性能优异等特点，因此在航空航天领域广泛应用。其中，相较于层合复合材料较弱的层间性能，编织复合材料具有较高的面外性能。航空发动机机匣在服役期间很有可能会受到外物的高速冲击，可能为鸟、叶片丢失或者外物撞击等。为了满足机匣包容性和适航要求，采用复合材料可以显著降低发动机质量，提高发动机的推重比和降低燃油消耗。目前美国航空宇航局(NASA)开发的二维三轴编织复合材料机匣已经成功应用在商用航空发动机，但是其编织角是固定的，通常为[0°/±60°]。此外，目前二维三轴编织复合材料采用均匀壁厚的设计思想，针对可能会受到外物冲击的机匣部位与其他部位采用相同是设计，限制了复合材料机匣包容性能的提升与减重潜力。三维机织复合材料机匣同样存在机织角度不可变的问题。

此外，目前复合材料机匣的安装边上通常开有数十个螺栓孔，以便与其他机匣相连接。该螺栓孔通常在机匣成型后采用钻孔等后期机械加工而成，导致机匣安装边强度、刚度等大幅度下降，造成机匣构件局部力学性能相对下降，给机匣包容性能带来很大隐患。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种包容区采用最优编织角的三维编织复合材料机匣。

本发明还提供一种变编织角的三维编织复合材料机匣的设计方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种变编织角的三维编织复合材料机匣，包括断裂叶片撞击的包容区，所述包容区的机匣采用最优编织角的复合材料编织构型，所述最优编织角通过对编织角度不同的打靶试验件进行打靶试验得到；打靶试验件曲率与包容区的机匣曲率一致，所述打靶试验得到不同编织角度下复合材料的弹道极限，然后基于统计规律插值得到最优编织角。

进一步的，所述包容区还包括发动机内部关键零部件对应的机匣区域。

进一步的，所述包容区的机匣截面为中间凸起两边平滑变薄的变截面。

进一步的，所述包容区机匣截面最厚处的厚度根据机匣安全系数和发动机整体重量决定。

进一步的，还包括断裂叶片撞击不到的非包容区，所述非包容区机匣采用等截面复合材料编织构型。

进一步的，所述非包容区的机匣厚度通过对不同厚度的复合材料进行基本力学性能测试得到，根据机匣安全系数和发动机整体重量确定最小厚度。

进一步的，还包括螺纹孔，所述螺纹孔安装边的复合材料采用周向编织，复合材料的编织方向沿螺纹孔周边。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是将现有机匣进行包容区和非包容区的划分并针对性设计，包容区采用三维编织复合材料的最优编织角提高机匣的包容区的抗冲击性能，同时非包容区在保证机匣整体结构强度的前提下采用最小壁厚，有效减轻机匣重量。

本发明提供一种变编织角的三维编织复合材料机匣的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据发动机内部气动布局确定机匣的初步构型；

(2)确定断裂叶片撞击的机匣区域为包容区，断裂叶片撞击不到的机匣区域为非包容区；

(3)对编织角度不同的复合材料打靶试验件进行打靶试验，所述打靶试验件曲率与包容区机匣的曲率一致；