「学生前沿」极性编织复合材料转子旋转变形研究

摘要：涡轮转子作为航空发动机的核心部件，其性能直接关乎整机推重比。随着航空发动机对推重比要求的不断提高，编织结构复合材料转子的研究持续深化并取得重要进展。本期封面生动呈现了新一代极性编织复合材料转子的结构特征。为深入解析该类型转子的细观构造，研究团队以极坐标系为引导

封面故事

涡轮转子作为航空发动机的核心部件，其性能直接关乎整机推重比。随着航空发动机对推重比要求的不断提高，编织结构复合材料转子的研究持续深化并取得重要进展。本期封面生动呈现了新一代极性编织复合材料转子的结构特征。为深入解析该类型转子的细观构造，研究团队以极坐标系为引导，识别并划分出三类具有代表性的纤维取向变化单元模型，进而构建出精确的力学分析模型。这一模型不仅揭示了极性编织复合材料转子的微观力学奥秘，也为探究其在受力状态下的力学响应与旋转变形机制提供了有效方法，从而为新一代航空发动机的研发注入了强劲动力。

2025年第10期

基于变化单元模型的极性编织复合材料转子旋转变形研究

Rotational deformation research of polar braided composite rotor based on variable unit model

收稿日期：2024–09–25；录用日期：2024–11–04

单位：1. 天津工业大学纺织科学与工程学院；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室；3. 中国航发湖南动力机械研究所

基金项目：中国航发“十四五”第一批自主创新专项资金项目(ZZCX-2021-009)；天津市自然科学基金面上项目 (23JCYBJC00740)

关键词：极性编织；复合材料转子；预制体结构；变形行为；有限元模型

创新点

Innovation points

针对极性编织复合材料转子细观结构复杂、力学表征困难等问题，创新性地提出了基于三类代表性体积单元（RVE）的“变化单元模型”，实现了对纱线空间路径与加纱结构的精确几何描述。通过结合桥联模型与极坐标转换方法，建立了适用于扇形单元的多尺度弹性本构预测模型，显著提升了弹性参数的计算精度。利用该模型系统揭示了编织密度与加纱位置对转子应力分布及旋转变形的影响机制，明确了环向纱主导承载、径向纱调控外缘应力的规律，为新一代高性能航空发动机复合材料转子的结构设计与优化提供了有效的理论方法和分析依据。

选题依据

为满足航空发动机对高推重比的持续追求，复合材料转子已成为替代传统金属转子的关键技术路径。极性编织复合材料凭借其高径向强度与一体化成型优势展现出巨大潜力，然而，为实现编织密度可控所引入的径向纱也造成了复杂的细观非均匀结构，导致传统均质化模型难以精确表征其力学行为，制约了转子的精细化设计与性能优化。因此，发展能够准确描述纱线空间路径变化并关联工艺参数与宏观性能的分析模型，成为该领域亟待突破的关键问题，也是本研究选题的核心依据。

研究方案或路线

研究内容与数据

变化单元模型构建

变化单元模型和均质化模型路径下的应力分布

不同编织密度参数转子的径向应力、环向应力和位移分布

主要结论

（1）运用几何方法对极性编织复合材料转子的三类细观结构进行了描述，实现了变化单元模型单元结构特征的参数化表征。通过实验对已建立的弹性本构关系进行了验证，模型与试验结果具有良好的一致性。

（2）由于径向纱与环向纱的排列密度差异，转子的应力分布发生了改变。其中，W5R5、W7R3的应力峰值出现在转子内孔，而W3R7的应力峰值则产生于转子盘身。均质化模型缺少加纱结构特征，使其内孔的应力结果高于变化单元模型。

（3）加纱引起的单元结构差异导致了刚度差，并使得单元间产生了应力集中。径向纱排列密度越低，单元的刚度差就越小，应力集中现象表现越不明显。

（4）转子旋转变形的主要应力由环向纱承担，其内孔变形量也仅由环向纱控制。径向纱的密度增加，可减弱转子外缘的变形量，降低转子外缘的应力水平。随着加纱数量的增加，转子的应力不匀表现更为显著。

作者简介

第一作者

李垚，男，2000年生，天津工业大学博士研究生在读，主要研究方向为纺织结构增强复合材料设计及其力学性能调控。

通信作者

姜茜，女，1985年2月生，天津工业大学纺织科学与工程学院研究员，博士生导师，致力于纺织复合材料结构功能一体化调控及应用研究。近五年主持军科委基础加强基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、天津市“揭榜挂帅”项目子课题、天津市自然科学基金、天津市教委重点基金、中国航发自主创新项目子课题、重点实验室开放基金及航天航空院所委托项目40余项。发表高质量学术论文70余篇，授权专利10余项，参编英文专著 2 部，中文专著 1 部。获天津市科技进步一等奖1项，中国纺织工业联合会科技进步奖1项，中国纺织工业联合会专利金奖1项。担任新能源垂直起降飞行器创新共同体理事、SAMPE中国大陆总会蜂窝材料及结构专委会委员，山东工业和信息化厅专家，《产业用纺织品》青年编委。工作被《中国青年报》、《天津日报》、中国纺织科技网等报道。

团队

天津工业大学结构与功能纺织复合材料团队，由姜茜研究员、吴利伟副教授牵头成立，团队隶属于纺织科学与工程学院，依托先进纺织复合材料教育部重点实验室开展研究，联合国际团队深耕结构功能一体化技术，团队聚焦纺织结构复合材料，研究方向涵盖纺织结构复合材料结构设计及调控，连续介质有限元多场耦合研究，纺织结构增强复合材料拓扑模型理论，超材料电磁响应机制，纳米复合材料界面优化及分子动力学机理等。成果量化显著，发表SCI/EI等论文百余篇，授权发明专利30余项，获2023中国纺织工业联合会专利金奖；指导学生获“挑战杯”“互联网+”等奖项10余项。团队秉持“创新、协作、产学研融合”理念，深耕航空航天等国家战略领域，助力“纺织强国”建设。