复合材料大风扇叶片非线性振动特性研究

The fiber-reinforced resin-based composite material is widely implemented in aviation and aerospace industries. For composite fan blade possessing geometric nonlinearity, large deformation characteristics and extreme anisotropic characteristics, the study on its natural frequency, vibration mode and nonlinear vibration behavior is becoming emerging research focus. This project will focus on the nonlinear vibration characteristics research of composite fan blade. The research contents specifically include simplified composite fan blade dynamics modeling respectively based on three-order large shear deformation theory, nonlinear shear deformation theory and multi-physics laminated plate.mechanics theory, dynamics analysis and applicability comparison of three models; finite element modeling of composite fan blade considering extreme anisotropic characteristics, aerodynamic load and centrifugal load, the study on its nonlinear vibration characteristics and vibration behavior; nonlinear vibration test of real fan blade and reduced scale sample, verifying analytical solution and finite element solution. Through this research, it will be obtained that dynamics modeling and analyzing method of fiber-reinforced resin-based composite fan blade considering geometric nonlinearity and material anisotropic characteristics, and revealed that nonlinear vibration characteristics of composite fan blade.

纤维增强树脂基复合材料在航空领域中大量使用，针对具有几何非线性和极端各向异性特征的复合材料大风扇叶片，开展其固有频率、振型和非线性振动行为研究在国际上是新兴的研究热点。本项目，围绕复合材料大风扇叶片的非线性振动特性开展研究，具体包括：分别在三阶剪切大变形理论、反双曲线形式的非线性剪切变形理论和多场多层板壳理论的基础上，建立复合材料叶片的动力学模型，进行动力学分析，并比较三种模型的精度和适用性；建立考虑复合材料极端各向异性和气动载荷、离心载荷作用下的复合材料大风扇叶片的有限元模型，研究其复杂的非线性振动特性和振动行为；分别对叶片真实件和叶片缩尺试验件进行非线性振动测试，验证解析和有限元结果。通过本项目的研究，将掌握适用于具有几何非线性、材料各向异性特征的纤维增强树脂基复合材料大风扇叶片动力学模型的建模方法和分析方法，揭示复合材料大风扇叶片的非线性振动特性。

高涵道比涡扇发动机是民航客运飞机动力装置的主流，风扇叶片是位于涡扇发动机整机前端的关键部件，其性能对发动机整体性能和工作可靠性有着重大影响。本项目实现了纤维增强复合材料大风扇叶片的非线性振动特性研究的解析分析、数值模拟和实验研究。首先，获得了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的各向异性本构关系模型，建立了复合材料大风扇叶片的动力学解析模型，即以考虑气动载荷和离心载荷为主的三阶剪切大变形理论以及可以多场、任意层数、任意铺层方向和变厚度的多层板理论的解析模型，并对其固有特性及非线性振动特性进行了求解和分析；然后，考虑复合材料的各向异性特征、铺层角度、厚度、顺序等因素，建立了多层复合材料风扇叶片有限元模型，获得了叶片自由振动的固有频率、振型，振动响应特性及共振特性，研究了复合材料大风扇叶片铺层参数对振动特性的影响，以及气动载荷、离心载荷、转速对叶片振动特性的影响规律；最后，获得了叶片缩尺试验件静止态及转动态下的非线性振动特性，并验证了解析和有限元结果。结果表明三阶剪切大变形理论能够获得受气动载荷、离心载荷的各向异性复合材料层合板的固有频率和非线性振动特性。基于状态向量和传递矩阵的多层板理论适用于简支多层板的固有特性和响应特性的计算，优点在于每层可以独立给定弹性系数，厚度等参数，对于碳纤维增强复合材料，可以考虑铺层角度、厚度等因素的影响；通过调整复合材料叶片的铺层厚度、角度、顺序可以减少叶片的共振点和减小振幅以达到减振的效果。叶片的固有频率随着空气流量的增大降低；碳纤维增强环氧树脂基叶片具有软式非线性特征，与解析结果一致。叶片软式非线性特征随着转速的增大而减弱。本项目获得了适用于具有各向异性特征的复合材料大风扇叶片简化动力学模型的建模方法和分析方法，揭示了复合材料大风扇叶片的非线性非线性振动特性及复杂振动行为。