宋長(zhǎng)遠(yuǎn)，唐 旭，陳大瑋，陳 勇，2

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2.燃?xì)廨啓C(jī)與民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)教育部工程研究中心：上海 200240）

0 引言

近年來(lái)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率的提高，風(fēng)扇葉片的尺寸也不斷增大，因此將密度低、性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料投入風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)制造已成為當(dāng)下發(fā)展趨勢(shì)。但在鳥(niǎo)撞事故中，復(fù)合材料葉片比金屬葉片面臨著更大挑戰(zhàn)。首先，復(fù)合材料層間性能較低，延展性與應(yīng)變能吸收率也低于金屬材料的，對(duì)鳥(niǎo)撞等沖擊載荷更加敏感；其次，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受到?jīng)_擊后，損傷主要出現(xiàn)在內(nèi)部鋪層上，這些肉眼不可見(jiàn)的損傷不但對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)完整性威脅巨大，也使得復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的沖擊損傷試驗(yàn)研究比金屬葉片的更加困難。因此，針對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值仿真，并在鋪層水平上展開(kāi)精細(xì)化分析對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的強(qiáng)度分析尤為重要。

以往的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞數(shù)值研究在建模時(shí)對(duì)葉片簡(jiǎn)化較多，可提取到的關(guān)于葉片的計(jì)算結(jié)果十分有限。如Chaims等基于鋪層信息和復(fù)合材料力學(xué)理論，計(jì)算單元節(jié)點(diǎn)等效物性，建立了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片殼單元模型，但僅分析了葉片的沖擊響應(yīng)；Siddens將復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鋪層簡(jiǎn)化為4層，建立了殼單元模型，分析了葉片損傷及包邊對(duì)葉片損傷的影響。近年來(lái)，一些學(xué)者使用不同方法建立復(fù)合材料葉片的精細(xì)化有限元模型。Coroneos等、Xiao等分別通過(guò)殼單元厚度方向的多個(gè)積分點(diǎn)保留了真實(shí)葉片的鋪層信息，建立了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的殼單元模型，但使用殼單元計(jì)算結(jié)果誤差較大，且無(wú)法分析層間失效；使用逐層建模的方法，胡殿印等基于Rotor 67風(fēng)扇葉片建立了包含20層鋪層的復(fù)合材料葉片實(shí)體模型；Zhang等建立了一種類榫頭結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型；朱啟晨等提出了針對(duì)全尺寸復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的精細(xì)化有限元建模方法，模型中使用了層合實(shí)體單元，準(zhǔn)確性得到了試驗(yàn)驗(yàn)證；唐旭等、張煜坤等基于文獻(xiàn)[8]中方法分別建立復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和榫頭模型，針對(duì)鋪層失效進(jìn)行了預(yù)測(cè)。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片建模技術(shù)的發(fā)展為鳥(niǎo)撞損傷的精細(xì)化分析提供了條件。

本文針對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞損傷的分析方法進(jìn)行了研究。建立了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的精細(xì)化有限元模型，提出1套復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞損傷的精細(xì)化分析流程，進(jìn)行中鳥(niǎo)撞擊工況的數(shù)值仿真，分析了不同失效模式發(fā)生位置的規(guī)律。

1 鳥(niǎo)撞損傷精細(xì)化分析方法

1.1 鳥(niǎo)撞損傷分析流程

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞精細(xì)化分析流程如圖1所示。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片由上百層預(yù)浸料鋪層模壓成型，其沖擊損傷可表現(xiàn)為鋪層及鋪層間的失效，因此在針對(duì)全尺寸復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鳥(niǎo)撞分析中，葉片的有限元模型需能夠正確體現(xiàn)鋪層形狀、排序、角度等信息。此外，在后處理階段需將鋪層作為獨(dú)立單位展開(kāi)分析。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，存在全局、鋪層和材料主軸三種坐標(biāo)系，在不同坐標(biāo)系下的應(yīng)力數(shù)據(jù)不同，復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則基于材料主方向應(yīng)力建立，因此在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，需要提取材料主軸坐標(biāo)系下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。在后處理階段的應(yīng)力數(shù)據(jù)提取、鋪層失效分析和結(jié)果可視化環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)量較大，需借助腳本程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作。

圖1 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞精細(xì)化分析流程

1.2 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片精細(xì)化有限元模型

1.2.1 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片有限元建模方法

本文研究對(duì)象為一種鋪層復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，其葉尖直徑為1828.8 mm，葉片高度為727.7 mm，葉尖弦長(zhǎng)為337.9 mm，采用直燕尾榫頭；葉片中線上的最大厚度為47.5 mm，位于榫頭上；最小厚度為8.8 mm，氣動(dòng)葉身前、尾緣的厚度分別為3.4、2.1 mm。葉片鋪層材料為碳纖維增強(qiáng)中溫高韌性環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，鋪層厚度為0.125 mm。葉片鋪層方案為[0°/45°/0°/-45°]，含242層結(jié)構(gòu)層、206層插入層，鋪層總數(shù)為448層，葉片及部分鋪層形狀如圖2所示。

圖2 葉片及部分鋪層形狀

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，首先在Fibersim軟件中以葉片中面為鋪貼面，利用體積填充功能分別向吸力面和壓力面填充鋪層形狀的鋪層，以滿足葉片的幾何外形。然后根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，調(diào)整鋪層角度及排序，并將鋪層信息儲(chǔ)存到HDF5文件中，鋪層命名原則見(jiàn)表1。

在ANSYS Workbench軟件中，使用ACP（Pre）模塊預(yù)先定義復(fù)合材料預(yù)浸料單向帶的材料屬性，劃分鋪貼面網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為5 mm，復(fù)合材料環(huán)氧樹(shù)脂工程彈性常數(shù)及單向帶工程彈性常數(shù)見(jiàn)表2、3。

表1 鋪層命名原則

表2 環(huán)氧樹(shù)脂工程彈性常數(shù)

表3 單向帶工程彈性常數(shù)

在ACP主程序中，以鋪貼面網(wǎng)格為基準(zhǔn)，通過(guò)法向拉伸生成葉片的有限元模型。風(fēng)扇葉片鋪層使用層合實(shí)體Solid185單元建立，定義單元最大厚度為1.25 mm，即單元在厚度方向上至多包含10層鋪層信息，該單元類型沿厚度方向包含多個(gè)積分點(diǎn)，每層鋪層通過(guò)3個(gè)積分點(diǎn)表示。鋪層邊緣、葉片厚度漸變區(qū)域存在Solid185退化而成的四面體單元和楔形單元。葉片單元?jiǎng)澐?、退化單元以及層合單元中鋪層信息定義如圖3所示。

1.2.2 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片有限元模型驗(yàn)證

使用試驗(yàn)與數(shù)值仿真對(duì)比的方法驗(yàn)證1.2.1節(jié)中復(fù)合材料風(fēng)扇葉片有限元模型的準(zhǔn)確性。葉片裝夾及測(cè)量?jī)x器設(shè)置如圖4所示。采用錘擊法對(duì)葉片進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，按照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的葉片與輪盤(pán)的相互作用方式，使用專用振動(dòng)夾具對(duì)葉片施加約束；根據(jù)葉片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的離心力，對(duì)夾具底部的5個(gè)頂緊螺栓各施加65 N·m的預(yù)緊力矩，并將試驗(yàn)裝置固定到隔振底座上以降低外界干擾。

圖3 葉片單元?jiǎng)澐帧⑼嘶瘑卧约皩雍蠁卧袖亴有畔⒍x

使用PCB模態(tài)力錘敲擊葉片，選用金屬錘頭，敲擊點(diǎn)位置如圖4所示。在葉片前6階模態(tài)振型幅值較大位置選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用Polytec PSV-500型激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行FFT變換，獲得葉片前6階固有頻率。

在本次試驗(yàn)測(cè)量中，各測(cè)點(diǎn)得到的固有頻率一致性較高，此處選取1號(hào)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)夾具與葉片之間的相互作用方式，在葉片有限元模型相應(yīng)位置施加節(jié)點(diǎn)位移約束，進(jìn)行模態(tài)分析，獲取葉片的前6階固有頻率，榫頭節(jié)點(diǎn)約束如圖5所示。模態(tài)分析得到的前6階固有頻率與測(cè)試結(jié)果一致性較高，測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表4。從表中可見(jiàn)，前3階的誤差僅為1%左右，最大誤差為7.71%。驗(yàn)證了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片精細(xì)化有限元模型的準(zhǔn)確性，模型滿足后續(xù)計(jì)算要求。

圖4 敲擊點(diǎn)位置

圖5 榫頭節(jié)點(diǎn)約束

表4 測(cè)點(diǎn)1處測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值結(jié)果對(duì)比

1.3 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片精細(xì)化后處理方法

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層數(shù)量多，為解決現(xiàn)有有限元軟件中鋪層應(yīng)力數(shù)據(jù)提取操作及鋪層失效分析結(jié)果顯示過(guò)程的繁復(fù)性，參考文獻(xiàn)[12]中后處理程序的實(shí)現(xiàn)邏輯與架構(gòu)，編寫(xiě)ANSYS Workbench軟件的二次開(kāi)發(fā)ACT腳本及MATLAB程序，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化后處理。在瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程的時(shí)間點(diǎn)上，使用Workbench腳本自動(dòng)化提取鋪層6個(gè)材料主軸應(yīng)力（圖1），對(duì)3個(gè)積分點(diǎn)上的計(jì)算結(jié)果取平均值，得到鋪層上的結(jié)果?；诓牧现鬏S應(yīng)力和相關(guān)失效準(zhǔn)則，使用MATLAB程序?qū)︿亴舆M(jìn)行失效分析，并根據(jù)鋪層的單元節(jié)點(diǎn)信息，重構(gòu)出鋪層有限元網(wǎng)格，生成Tecplot FEM格式數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)鋪層失效的可視化。

在失效準(zhǔn)則選用方面，復(fù)合材料損傷起始和失效機(jī)理復(fù)雜，沒(méi)有一種廣泛適用的理論判據(jù)適用于復(fù)合材料所有失效工況，針對(duì)失效準(zhǔn)則的適用性的分析不在本文研究范圍內(nèi)。選用Hou等改進(jìn)后的Chang-Chang失效準(zhǔn)則，區(qū)分其中纖維失效模式為纖維拉伸失效和纖維壓縮失效，將其中一些需要大量材料試驗(yàn)才能獲得的面外橫向基體開(kāi)裂剪切強(qiáng)度、分層剪切強(qiáng)度等強(qiáng)度極限做簡(jiǎn)化，應(yīng)用于后續(xù)分析。在材料主軸坐標(biāo)系下，1、2、3方向分別對(duì)應(yīng)鋪層纖維方向、面內(nèi)橫向和面外法向，材料主軸應(yīng)力及對(duì)應(yīng)強(qiáng)度極限如圖6所示，可得到如下失效準(zhǔn)則：

（1）纖維失效。

當(dāng)≥0時(shí)，拉伸失效是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則為

當(dāng)＜0時(shí)，壓縮失效是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則為

（2）基體失效。

當(dāng)≥0時(shí)，基體開(kāi)裂是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則為

當(dāng)0時(shí)，基體壓潰是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則為

（3）分層。

僅當(dāng)≥0時(shí)，分層是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則為

圖6 鋪層材料主軸應(yīng)力及對(duì)應(yīng)強(qiáng)度極限

2 中鳥(niǎo)撞擊工況下算例分析

2.1 載荷工況

本文研究的風(fēng)扇葉片對(duì)應(yīng)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道喉道面積為3.02 m，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片總數(shù)=18，轉(zhuǎn)速=3600 r/min。根據(jù)適航條款CCAR33.76中的相關(guān)要求，需以不低于起飛決斷速度吸入1只1.15 kg和6只0.7 kg的鳥(niǎo)來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的適航性。

圖7 風(fēng)扇葉片切鳥(niǎo)及最大鳥(niǎo)切片形狀[17]

選取發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)扇葉片75%葉高處吸入1只1.15 kg的中鳥(niǎo)作為本次研究的載荷工況。使用Storace等提出的最大鳥(niǎo)切片載荷模型及參考文獻(xiàn)[18]的載荷-時(shí)間關(guān)系對(duì)葉片橢圓形區(qū)域施加均布的沖擊載荷。風(fēng)扇葉片切鳥(niǎo)及最大鳥(niǎo)切片形狀如圖7所示。參考文獻(xiàn)[19]中的參數(shù)設(shè)置，取鳥(niǎo)的密度=938 kg/m，建立長(zhǎng)徑比為2∶1的平頂圓柱模型，長(zhǎng)度=184.14 mm，直徑=92.07 mm。沖擊載荷參數(shù)見(jiàn)表5。本次分析中、、方向分別為葉片的周向、展向和軸向。

表5 沖擊載荷參數(shù)

中鳥(niǎo)受相鄰風(fēng)扇葉片切割后，撞擊在葉片壓力面上，形成橢圓形沖擊加載區(qū)域。加載區(qū)域及節(jié)點(diǎn)力施加方式如圖8（a）所示。根據(jù)總沖擊加載時(shí)長(zhǎng)定義無(wú)量綱時(shí)間，沖擊力-無(wú)量綱時(shí)間的函數(shù)曲線如圖8（b）所示。在榫頭上施加了與圖5中相同的節(jié)點(diǎn)位移約束。

圖8 沖擊載荷施加區(qū)域及時(shí)間-載荷

2.2 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

以1 ms為間隔，選取10 ms內(nèi)葉片吸力面50%弦長(zhǎng)位置曲線在-平面上的投影（如圖9所示），分析葉片的周向彎曲變形特性。圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。從圖9（a）中可見(jiàn)，從初始時(shí)刻到最大加載時(shí)刻，葉片以載荷作用區(qū)域附近的局部變形為主；在后續(xù)的響應(yīng)中，葉片整體彎曲變形占據(jù)主導(dǎo)。從圖9（b）中可見(jiàn)，在約10 ms內(nèi)，葉片完成1次周向彎曲-回彈運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率與葉片的1階相固有頻率相近，在彎曲過(guò)程中，氣動(dòng)葉身的彎掠造型有展成平直的趨勢(shì)。

圖9 吸力面50%弦長(zhǎng)曲線在x-y平面投影

不同時(shí)刻葉片頂部在平面投影如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，葉片頂部同樣經(jīng)過(guò)約10 ms時(shí)間回到初始位置，從葉頂?shù)奈恢米兓芍?，葉片在整體上還發(fā)生軸向彎曲運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，葉頂?shù)男螤畎l(fā)生了變化，葉片橫截面呈現(xiàn)出“中間厚、兩邊薄”的特點(diǎn)，在鳥(niǎo)撞響應(yīng)中，葉片前緣、尾緣相對(duì)于葉片弦向中部區(qū)域更加活躍。

圖10不同時(shí)刻葉片頂部在x-z平面投影

圖11 前緣、尾緣附近相對(duì)于葉片50%弦長(zhǎng)位置的振動(dòng)

在有限元模型中選取測(cè)點(diǎn)，分析在葉片不同高度上前緣、尾緣和葉片弦向中點(diǎn)（50%弦長(zhǎng)）位置的振動(dòng)，如圖11（a）、（b）所示。從圖中可見(jiàn)，氣動(dòng)葉身頂部、中部的前、尾緣測(cè)點(diǎn)的位移曲線相對(duì)于相同高度的弦向中部測(cè)點(diǎn)的曲線有明顯波動(dòng)。若以弦向中點(diǎn)的位移描述葉片整體位移，則在葉身上部區(qū)域的前緣、尾緣附近發(fā)生了較為顯著的局部振動(dòng)，其中以測(cè)點(diǎn)LE_MID附近的局部振動(dòng)最為明顯；在伸根段頂部SHANK測(cè)點(diǎn)組中，前緣、尾緣局部振動(dòng)不明顯，如圖11（c）所示。由于伸根段及以下區(qū)域剛度較高，前緣尾緣與葉片中部相對(duì)厚度差較小，前緣、尾緣的活躍程度會(huì)進(jìn)一步降低。提取高階模態(tài)振型，葉片第14、17、21階模態(tài)振型如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，一些高階模態(tài)在葉片前緣、尾緣處活躍，而在伸根段及榫頭處振動(dòng)幅值小，體現(xiàn)出與葉片響應(yīng)相似的特點(diǎn)。因此對(duì)于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的外物沖擊問(wèn)題，葉片高階模態(tài)對(duì)響應(yīng)和損傷的影響不容忽視。

圖12 葉片高階模態(tài)振型

2.3 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層失效分析

2.3.1 不同失效模式發(fā)生位置

使用第1.3節(jié)中方法提取鋪層的材料主軸應(yīng)力并將鋪層失效模式可視化。由于鋪層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層間性能較低，首先針對(duì)分層失效模式展開(kāi)分析。

發(fā)生分層的位置主要受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和葉片周向彎曲運(yùn)動(dòng)影響，集中發(fā)生在榫頭、伸根段內(nèi)部的50%弦長(zhǎng)位置附近，其他位置鋪層失效較少。葉片受到?jīng)_擊后，在結(jié)構(gòu)慣性影響下，葉片的變形和運(yùn)動(dòng)從受載區(qū)域向下傳導(dǎo)，最終對(duì)榫頭及伸根段形成了拉-彎-扭組合加載模式。變厚度區(qū)域在拉伸載荷下的分層如圖13所示。榫頭、伸根段厚度變化快，其中存在較多的遞減鋪層，在受載過(guò)程中，不同高度鋪層之間的位移一致性較低，導(dǎo)致此處層間應(yīng)力水平較高，且在榫頭、伸根段內(nèi)部存在鋪層遞減，遞減鋪層的邊緣樹(shù)脂淤積形成了力學(xué)性能較差的樹(shù)脂囊，易成為分層的起點(diǎn)，致使伸根段、榫頭部位分層嚴(yán)重。

圖13 變厚度區(qū)域在拉伸載荷下的分層

在加載結(jié)束時(shí)刻，伸根段彎曲幅值增大，分層失效及發(fā)生位置如圖14所示。從圖中可見(jiàn)，內(nèi)部鋪層在50%弦長(zhǎng)位置附近出現(xiàn)肉眼不可見(jiàn)的分層。在=4~8 ms內(nèi)，葉身彎曲幅值較大，但由于葉片的氣動(dòng)葉身厚度較薄，遞減鋪層少，層間應(yīng)力水平較低，因此分層未向氣動(dòng)葉身發(fā)展，在=8~10 ms內(nèi)，葉身中部的彎掠造型恢復(fù)，期間層間剪切應(yīng)力方向突變，在=9 ms時(shí)，葉盆吸力面?zhèn)蠕亴覵S_P043_45和SS_P041_0與SS_P023_45p之間出現(xiàn)分層。

圖14 分層失效及發(fā)生位置

發(fā)生纖維失效的鋪層較少，在葉片完成1次回彈期間，受葉片的軸向彎曲運(yùn)動(dòng)及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，±45°鋪層在伸根段前緣位置發(fā)生纖維拉伸失效。壓力面?zhèn)蠕亴釉?0%葉高以下部位的拉伸失效指標(biāo)較高；吸力面?zhèn)瓤拷~片表面的0°、-45°結(jié)構(gòu)層壓縮失效指標(biāo)較高，而45°鋪層的失效指標(biāo)仍然指向拉伸失效模式。

在葉片彎曲過(guò)程中，伸根段、榫頭因拉伸-扭轉(zhuǎn)載荷發(fā)生基體失效。其中，壓力面?zhèn)纫恍?°鋪層在榫頭約束處、伸根段75%弦長(zhǎng)位置，以及±45°鋪層在伸根段前緣發(fā)生了基體開(kāi)裂，少量0°鋪層在伸根段前緣出現(xiàn)基體壓潰；吸力面?zhèn)仁т亴虞^少，少量0°鋪層在榫頭約束部位、少量±45°鋪層在伸根段前緣發(fā)生了基體開(kāi)裂，靠近葉片表面的0°鋪層在伸根段25%葉高位置發(fā)生了基體壓潰。此外，葉片彎曲導(dǎo)致葉盆處的葉型曲度降低。在葉片回彈過(guò)程中，在葉盆處葉型曲度快速回復(fù)，導(dǎo)致吸力面?zhèn)蠕亴酉蚁蚴芾恍└叨瘸^(guò)50%葉高的±45°鋪層在葉盆位置發(fā)生基體開(kāi)裂，0°鋪層無(wú)明顯變化?？傮w而言，葉片基體失效的分布較為廣泛，且基體開(kāi)裂較基體壓潰更加嚴(yán)重。

2.3.2 失效位置規(guī)律性及影響因素分析

對(duì)于纖維失效和基體失效，鋪層失效模式及位置具有一定的規(guī)律性，相同角度鋪層失效函數(shù)分布的相似性如圖15所示。從圖中可見(jiàn)，在某一時(shí)刻，中面一側(cè)大部分相同角度鋪層失效函數(shù)分布相似，僅在裁切鋪層的邊緣存在一定差異，并且由于在彎曲變形過(guò)程中靠近葉片表面的鋪層普遍承受更大的拉力，從葉片中面到葉片表面，鋪層上失效函數(shù)值整體水平逐漸升高。

不同葉片損傷模式及位置如圖16所示。從圖中可見(jiàn)，葉片的遠(yuǎn)場(chǎng)失效更加嚴(yán)重，并且內(nèi)部失效比外部失效更加嚴(yán)重，其中伸根段前緣位置的±45°鋪層發(fā)生了纖維斷裂失效，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)葉片完整性，為本次分析中葉片最為薄弱的環(huán)節(jié)。

圖15 相同角度鋪層失效函數(shù)分布的相似性

圖16 葉片損傷模式及位置

在精細(xì)化后處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然大部分鋪層的失效函數(shù)的分布存在規(guī)律性，失效位置易于預(yù)測(cè)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊損傷分析中，由于響應(yīng)中高階模態(tài)的作用以及鋪層形狀、角度的復(fù)雜性，存在一些特殊情況。例如，在=9 ms時(shí)刻，鋪層PS_P017_0、PS_P002_0在葉頂中部出現(xiàn)明顯的基體開(kāi)裂，與同角度鋪層的失效特性存在明顯差異。值得注意的是，在Siddens的分析中，不帶包邊復(fù)合材料風(fēng)扇葉片經(jīng)歷鳥(niǎo)撞后，同樣于葉頂中部發(fā)生了基體開(kāi)裂，但受限于葉片建模及后處理的精細(xì)化程度，未能指出發(fā)生基體開(kāi)裂的具體鋪層。

針對(duì)鋪層PS_P017_0展開(kāi)分析，結(jié)合圖10（b）可知此時(shí)葉片在失效位置產(chǎn)生彎折，根據(jù)式（3）包含的主軸應(yīng)力，分析、、對(duì)失效的影響。PS_P017_0基體開(kāi)裂失效相關(guān)應(yīng)力如圖17所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于此處失效的作用最大，其高應(yīng)力區(qū)與失效位置重合，最大值達(dá)126.22 MPa，遠(yuǎn)超鋪層的橫向拉伸強(qiáng)度；次之，在失效區(qū)域應(yīng)力水平較高，極值的絕對(duì)值為41.48 MPa，略低于強(qiáng)度極限；的作用較小，僅在葉頂應(yīng)力較高，最大為10.60 MPa，不足強(qiáng)度極限的1/3。高階模態(tài)造成的葉身上部區(qū)域的彎曲運(yùn)動(dòng)使PS_P017_0這一0°鋪層在失效位置產(chǎn)生了較大的橫向拉應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)了基體開(kāi)裂。

圖17 PS_P017_0基體開(kāi)裂失效相關(guān)應(yīng)力

3 結(jié)論

（1）葉片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)包括周向彎曲、軸向彎曲、扭轉(zhuǎn)，在葉身上部區(qū)域的響應(yīng)中，高階模態(tài)的貢獻(xiàn)顯著；在失效分析中發(fā)現(xiàn)，分層受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響大，主要發(fā)生在伸根段、榫頭內(nèi)部、吸力面葉盆內(nèi)部一些裁切鋪層的邊緣與相鄰鋪層之間。發(fā)生纖維失效的鋪層較少，±45°鋪層在伸根段前緣位置纖維拉伸失效顯著，為本次分析中葉片最薄弱的環(huán)節(jié)。

（2）對(duì)于纖維失效和基體失效，相同角度鋪層的失效函數(shù)值分布的相似性高，鋪層失效位置具有一定規(guī)律性；存在一些鋪層在葉片高階模態(tài)影響下于特殊位置失效，必須通過(guò)精細(xì)化分析才能得到有效預(yù)測(cè)，如在部分鋪層葉頂中部發(fā)生的基體開(kāi)裂。