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IJMSD | 李应红院士、周晋教授等:纤维编织增强复合材料抗高速冲击性能在航空发动机应用前景综述

已有 1223 次阅读 2023-8-15 21:45 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

图 文 导 读

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Figure 1 Graphical abstract

航空复合材料具有高比强度、高比刚度、轻质等优异特性,然而抗冲击性能要求制约其在航空发动机高速冲击工况下的应用。三维编织复合材料是利用编织技术,把经向、纬向及法向的纤维束或纱线编织成整体预制体,然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。由于增强纤维在三维空间多向分布,与传统层合结构相比,可减缓或阻止冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展,改善复合材料抗冲击、剪切和损伤容限性能,对航空发动机复合材料抗冲击性能提升有重要意义。

中国科学院院士、空军工程大学李应红教授团队与西安交通大学陈雪峰教授、周晋教授团队合作在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal Mechanical System Dynamics, IJMSD )发表了“纤维编织增强复合材料抗高速冲击性能在航空发动机应用前景综述”。该文回顾了针对二维、三维机织和编织复合材料抗高速冲击损伤的研究,包括材料表征、冲击性能和损伤机制。通过研究纤维界面脱粘、基体横向裂纹、纤维分层、纤维失效和冲击穿透等失效模式,讨论分析了纺织复合材料的抗冲击损伤机理。研究发现纺织复合材料特别是三维编织复合材料的冲击能量吸收特性和损伤容限优于传统层压或二维编织复合材料;编织复合材料由于编织角度的可变性而表现出优异的剪切性能、抗冲击性和损伤容限,可用于抗冲击损伤容限高要求的航空结构。该文进一步总结并展望纤维增强纺织复合材料在航空发动机中应用的未来发展方向,指出编织预成型件的制备过程效率更高,具有广泛应用前景。该文可为纤维增强纺织复合材料在航空发动机中应用和复合材料轻量化结构应用提供指导。


This paper reviews the development, material characterizations, and applications of fiber reinforced textile composites for aeroengines, focusing on two- and three-dimensional woven and braided composites. The complex damage mechanisms and failure modes of these composite materials due to high-velocity impacts are discussed, including debonding of the fiber interface, transverse crack of the matrix, delamination of the fiber, failure of the fiber, and penetration of the fiber. Compared to laminated composites, the impact energy absorption characteristics and damage tolerance of textile composites, especially the 3D textile composite materials, are generally improved. The braided composites show excellent shear performance, impact resistance, and tolerance due to the variability of the braiding angle, and they are often used in structures with requirements of shear performance and damage tolerance. In contrast, the preparation of the woven preforms is a more efficient process, and leads to a wider application. This review can serve as a guide for analysis and application of fiber‐ einforced polymer textile composites in aero engines as it describes the mechanical performance of woven and braided composites. 


Keywords:

aero engines, damage mechanism, high-velocity impact, textile composites

DOI: 10.1002/msd2.12033

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Cite this article: Li Y, Chen X, Zhou J, et al. A review of high-velocity impact on fiber-reinforced textile composites: potential for aero engine applications. Int J Mech Syst Dyn.2022;2(1): 50-64.


该文亮点:

  1. 回顾了纤维增强纺织复合材料在材料表征、抗冲击性能和损伤机制的研究进展;
  2. 研究发现表面三维编织复合材料抗冲击损伤容限优于二维、三维机织复合材料;
  3. 为轻量化结构设计提供指导的同时,展望了纺织复合材料在航空领域应用前景。

Highlights:

  1. This paper reviews material characterization, impact resistance and damage mechanisms of woven and braided composites. 
  2. The mechanical performance of 3D braided composites is superior to 2D and 3D woven composites.
  3. This paper provides a guidance for lightweight design and prospective of textile composites in aerospace application. 

作 者 简 介

李应红院士.jpg李应红  空军工程大学航空航天工程学院教授、博士生导师,中国科学院院士,航空推进理论与工程专家,航空等离子体动力学国家级重点实验室和飞机推进系统军队重点实验室主任。获得国家科技进步一等奖、国家技术发明二等奖。入选首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选。承担973等10多项重大科研项目。发表论文170余篇、授权发明专利48项。主要从事航空发动机气动热力控制、诊断与部件表面强化研究。


二作照片.jpg.png陈雪峰  西安交通大学教授、博士生导师,国家杰出青年基金获得者、973项目首席科学家,入选全国百篇优秀博士论文。获国家技术发明二等奖、教育部技术发明一等奖、教学成果奖、中国青年科技奖和霍英东青年教师一等奖。承担国家863、973项目、国家自然科学基金与国防重大项目等。发表论文80余篇,出版专著2本。主要从事航空发动机等装备故障诊断与健康管理研究,围绕航空复合材料开展了通用单胞模型多尺度建模方法、损伤检测与稀疏诊断方法研究。


周晋.jpg周   晋  西安交通大学教授、博士生导师。曾在剑桥大学从事航空复合材料成型理论及轻量化结构冲击力学研究工作,入选国家海外青年人才计划。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、装发基础研发项目等。发表论文40余篇,主要从事航空复合材料冲击动力学研究,特别关注三维编织复合材料冲击损伤机理及有限元分析方法,研究三维编织复合材料力学本构及多尺度建模。


 期 刊 简 介


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