潘蘇瑜 林 靜

基于ANSYS的樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片參數(shù)設(shè)定

潘蘇瑜 林 靜

（華僑大學(xué) 機電及自動化學(xué)院，廈門 361021）

在深入研究復(fù)合材料材料屬性和設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出采用樹脂基復(fù)合材料作為航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片的材料，用ANSYS軟件建立其復(fù)合材料層合板單元結(jié)構(gòu)模型，將其參數(shù)完整設(shè)定，并進(jìn)行初步的仿真加載。

樹脂基材料 風(fēng)扇葉片 ANSYS 建模

引言

風(fēng)扇葉片是航空發(fā)動機中最具代表性的部件之一，它的性能穩(wěn)定性與其正常的工作狀態(tài)密切相關(guān)。近些年來，特別是80年代后期開始，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的興起，全新的復(fù)合材料研究技術(shù)和日新月異的計算機輔助仿真成形能力，讓設(shè)計和制造復(fù)合材料葉片達(dá)到了一個前所未有的高度，進(jìn)入了一個完全嶄新的領(lǐng)域樹。脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片涉及氣動力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)強度等諸多領(lǐng)域?qū)W科。本文基于上述方面，在ANSYS中探討如何設(shè)定其參數(shù)和相關(guān)層合板模型的建立，為未來航空發(fā)動機葉片設(shè)計研制提供技術(shù)儲備，具有良好的工程借鑒意義。

1 樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的選材

風(fēng)扇葉片作為航空發(fā)動機中尤為重要的動力部件，如果其葉片本身的強度達(dá)不到要求，在工作時發(fā)生了變形甚至斷裂，都將對飛機運行帶來不可估量的后果，嚴(yán)重的將導(dǎo)致空難的發(fā)生。

在研究樹脂基復(fù)合材料的性能與特點的基礎(chǔ)上，綜合航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片的工作性質(zhì)以及受力情況，本文選取的是樹脂基復(fù)合材料。

考慮到飛機發(fā)動機在工作情況下，風(fēng)扇葉片要收到離心力、氣動力、發(fā)動機振動引起的交變應(yīng)力以及隨機載荷等多種載荷，葉片將產(chǎn)生拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等。由于葉片受力情況復(fù)雜，綜合多種情況因素，本文采用HT3/5224復(fù)合材料作為葉片的材料。

2 樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在ANSYS中的參數(shù)設(shè)定

本文中，葉片采用的材料類型是復(fù)合材料。所以，在單元類型的選取上，要綜合復(fù)合材料的特點進(jìn)行選取，盡量選擇能夠滿足復(fù)合材料特性的單元類型。因此，本文采用的是8節(jié)點層狀結(jié)構(gòu)單元SOLID46作為復(fù)合材料葉片的單元。

SOLID46單元是8節(jié)點3D單元SOLID45的一種層疊形式，每個節(jié)點有3個自由度，每個單元最多允許250層的等厚度復(fù)合材料，同樣允許125層厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚度材料層。該單元的另一個特點是可以用幾個單元疊加的方式對多于250層的復(fù)合材料建模，并允許沿厚度方向的橫向變形斜率可以不連續(xù)，而且用戶可以輸入自定義的本構(gòu)矩陣。

復(fù)合材料最重要的就是其疊層結(jié)構(gòu)。每層材料都可能由不同的正交各向異性材料構(gòu)成，并且其主方向也可能各不相同。這里，Number of Layers最大允許250層，設(shè)置為20層，Layer Symmetry Key代表對稱開關(guān)的意思，設(shè)為1（其他表示不對稱），如圖1所示。

圖1　相關(guān)參數(shù)的設(shè)置界面圖

對于每一層的材料，可以定義如下性質(zhì)：材料性質(zhì)，通過材料參考號MAT來定義，這里默認(rèn)是1；層的定向角（THETA），根據(jù)復(fù)合材料的特性，將其對稱鋪疊，這里定義角度為0°、+45°、-45°、90°。本文設(shè)計的復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是一種層合板結(jié)構(gòu)，即葉片由若干樹脂基復(fù)合材料，單層按照一定的角度順序鋪疊而成。初步定義鋪層數(shù)目是6層。為了降低葉片結(jié)構(gòu)的各向異性，采用對稱鋪疊分布。所以，這里設(shè)計角度為3個。在實際工作情況中，常用的鋪層角度為0°、+45°、-45°、90°。層的厚度（TK），統(tǒng)一定義為每層0.125mm。

這里，選擇材料是正交各向異性材料。只有9個彈性系數(shù)，要在3個方向X、Y、Z上設(shè)置彈性模量、剪切模量和泊松比，并定義好單層屬性。由于每層都一樣，其余層屬性與此相同。

劃分網(wǎng)格的方式采取映射劃分網(wǎng)格，控制頂面的網(wǎng)格數(shù)量。這樣劃分的網(wǎng)格比較完好，不會出現(xiàn)壞網(wǎng)格和不能計算的點出現(xiàn)。從頂部可以看出，葉片結(jié)構(gòu)是層狀的，與我們選取的SOLID46層狀單元相符。將所建立的有限元模型頂部的圖放大來看，可以看出，葉片呈現(xiàn)層狀排布，層與層之間的夾角可以從圖2中看到。這里，只選取了隨機4個?？梢栽趫D中明顯看出，經(jīng)過放大之后，葉片是層狀結(jié)構(gòu)體，與傳統(tǒng)的葉片造型有著很大的不同。

圖2　建立的有限元模型煩人頂部放大圖

在網(wǎng)格劃分完成后，可以查看單元的鋪層結(jié)構(gòu)。選擇plot-layered elements，彈出單元拾取對話框；任意選取某個單元，可以看到如圖3所示的單元鋪層結(jié)構(gòu)。在此可直觀看到葉片上每一個單元的結(jié)構(gòu)組成，層與層之間有著不同的夾角，這是傳統(tǒng)葉型所沒有的。同時，從如3中可以看出每個單元都有20層結(jié)構(gòu)，并按照最初設(shè)定的鋪層順序堆成鋪疊而成，角度順序完全一致，可以認(rèn)為設(shè)定成功。

圖3　單元鋪層結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文討論的樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，本質(zhì)上是一種纖維增強復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，即葉片由許多樹脂基復(fù)合材料單層按一定角度順序鋪疊而成。在這以前，很少有文獻(xiàn)專門介紹如何建立這種復(fù)合材料層合板類型結(jié)構(gòu)的葉片。本文從參數(shù)設(shè)定，到建立模型，再到最后的加載，一體化操作完成了復(fù)合材料層合板的構(gòu)建，確定了各項參數(shù)?？偨Y(jié)其關(guān)鍵點，主要在于兩點：第一，層合板模型的體現(xiàn)，重點是單元類型的選取以及后續(xù)參數(shù)的設(shè)定；第二，鋪層角度的選擇，為了降低材料的各向異性，鋪層角度的重要性尤為明顯，鋪層順序可以有效降低葉片的共振裕度。

[1]梁春華，楊銳.航空發(fā)動機寬弦空心風(fēng)扇葉片的發(fā)展及應(yīng)用[J].航空發(fā)動機，1999，（2）：54-58.

[2]梁春華，李宏新，凌瑤.先進(jìn)航空渦扇發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機先進(jìn)結(jié)構(gòu)與新材料[J].航空制造技術(shù)，2007，（1）：60-63.

[3]矯桂瓊，賈普榮.復(fù)合材料力學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

Resin Matrix Composite Fan Blades Based on ANSYS Parameter Setting

PAN Suyu，LIN Jing
（Xiamen overseas Chinese university in fujian province institute of electrical and automation,Xiamen 361021）

In further study of composite material properties and the basis of design principle, put forward with the resin matrix composites for aircraft engine fan blade material, use AMSYS software to establish the structure of composite laminated plate unit model, the parameters of the complete set and carries on the preliminary simulation load.

Resin base material,The fan blade,ANSYS, modeling