平纹碳/碳复合材料指尖密封径向刚度特性多尺度研究
收稿日期: 2024-06-27
修回日期: 2024-07-15
录用日期: 2024-08-05
网络出版日期: 2024-08-10
基金资助
国家自然科学基金(51805429)
Multi-scale study of radial stiffness characteristics of plain C/C composite finger seals
Received date: 2024-06-27
Revised date: 2024-07-15
Accepted date: 2024-08-05
Online published: 2024-08-10
Supported by
National Natural Science Foundation of China(51805429)
碳纤维增强碳基体（C/C）复合材料具有自润滑、耐磨损等优良性能，与动密封技术需求和应用环境相匹配，可以显著提高指尖密封的服役寿命，但是各向异性的力学性能、非均质的微观结构和复杂的曲线构型导致C/C复合材料指尖梁的力学特性复杂多变，限制了指尖密封的封严效果和服役寿命的提高。因此，首先通过平纹编织C/C复合材料多尺度编织结构和性能分析，构建了C/C复合材料指尖密封片的多尺度有限元模型；然后，采用多尺度有限元法深入分析了铺层数量、径向位移以及不同位置的C/C复合材料指尖梁径向静刚度的变化规律和周向分布特性；最后，搭建了指尖梁径向刚度试验台，并对不同位置的C/C复合材料指尖梁径向静刚度进行了试验验证。研究结果显示：圆弧形指尖梁的载荷随径向位移的增大而线性增大，其径向刚度保持不变；3层碳纤维布的指尖梁径向刚度约是单层的3倍，周向分布指尖梁的径向刚度呈现先减小后增大的周期性分布规律，周期为90°，最小刚度约为最大刚度的68%，较大的径向刚度差异会导致局部磨损和迟滞泄漏问题，研究结果为C/C复合材料指尖密封结构优化与性能研究提供了参考和依据。
宋丹龙 , 王源昊 , 华珂伊 , 杜春华 , 张延超 , 荆云娟 . 平纹碳/碳复合材料指尖密封径向刚度特性多尺度研究[J]. 航空学报, 2025 , 46(7) : 430878 -430878 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2024.30878
Carbon fiber reinforced carbon matrix （C/C） composite have unique excellent characteristics such as self-lubrication and wear resistance， making them well-suited to the technical requirements of dynamic seals and their corresponding application environments. These characteristics can significantly improve the service life of finger seals. However， the anisotropy performance， heterogeneous micro-structure and the complex curve lead to the complex mechanical characteristics of C/C composite finger beams， which further affects the sealing performance and service life of finger seals. Therefore，a multi-scale finite element model of the C/C composite finger seals was firstly constructed by analyzing the multi-scale structures and performance of the plain woven C/C composite laminates. Secondly， the variation trend and circumferential distribution characteristics of radial static stiffness of C/C composite finger beams with different positions and number of layers were analyzed deeply by the multi-scale finite element method. Finally， a radial mechanical performance test platform of the finger beam was built， and radial static stiffness of C/C composite finger beams with different angular positions was verified by experiments. The research results show that the load of circular finger beam increased linearly with the radial displacement， and its radial stiffness kept constant. The radial stiffness of the finger beam with three layers of carbon fiber fabric was about 3 times that of the finger beam with single layer. The radial stiffness of circumferential distributed finger beams presents a periodic distribution characteristic of decreasing first and then increasing， with a period of 90°， and the minimum stiffness was about 68% of the maximum stiffness. A large difference in radial stiffness will lead to local wear and hysteretic leakage. The research provides a reference and basis for the structure optimization and sealing performance of C/C composite finger seals.
| 1 | 王强， 张峰， 黄清伟， 等 ． 指尖密封径向临界工作能力快速评估方法研究［J］. 推进技术， 2024， 45（7）： 232-241. |
| WANG Q， ZHANG F， HUANG Q W， et al. Rapid evaluation method for radial critical operating capacity of finger seal［J］. Journal of Propulsion Technology， 2024， 45（7）： 232-241 （in Chinese）. | |
| 2 | PROCTOR M P， KUMAR A， DELGADO I R. High-speed， high-temperature finger seal test results［J］. Journal of Propulsion and Power， 2004， 20（2）： 312-318. |
| 3 | 赵海林， 陈国定， 苏华. 考虑粗糙渗流效应的指尖密封总泄漏性能分析［J］. 机械工程学报， 2020， 56（3）： 152-161. |
| ZHAO H L， CHEN G D， SU H. Analysis of total leakage performance of finger seal considering the rough seepage effect［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（3）： 152-161 （in Chinese）. | |
| 4 | LI G Q， ZHANG Q， GUO L， et al. Leakage and wear characteristics of finger seal in hot/cold state for aero-engine［J］. Tribology International， 2018， 127： 209-218. |
| 5 | 周坤， 力宁， 潘君， 等. 压力平衡型指尖密封泄漏特性试验研究［J］. 润滑与密封， 2021， 46（4）： 140-146. |
| ZHOU K， LI N， PAN J， et al. Experimental investigation on leakage characteristics of pressure balanced finger seals［J］. Lubrication Engineering， 2021， 46（4）： 140-146 （in Chinese）. | |
| 6 | CHEN G D， LU F， YU Q P， et al. Dynamic analysis of finger seal using equivalent model based on distributed mass method［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2014， 228（16）： 2992-3005. |
| 7 | 苏华， 陈国定. 指尖密封迟滞特性的机理分析［J］. 机械工程学报， 2009， 45（5）： 57-61. |
| SU H， CHEN G D. Analysis on hysteresis charcteristics of finger seal［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2009， 45（5）： 57-61 （in Chinese）. | |
| 8 | CHEN G D， WANG L N， YU Q P， et al. Dynamic analysis of C/C composite finger seal［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2014， 27（3）： 745-758. |
| 9 | 雷俊杰， 刘美红， HU Xiangping， 等. 基于分形理论的椭圆弧型指尖密封磨损特性分析［J］. 机械工程学报， 2023， 59（3）： 144-157. |
| LEI J J， LIU M H， HU X P， et al. Analysis of wear characteristics of elliptic arc finger seal based on fractal theory［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（3）： 144-157 （in Chinese）. | |
| 10 | 杜春华， 严豪宇， 崔亚辉， 等. 圆弧型指尖密封磨损计算方法及其特性研究［J］. 推进技术， 2021， 42（8）： 1839-1847. |
| DU C H， YAN H Y， CUI Y H， et al. Calculation method and characteristics of wear of arc-shaped finger seal［J］. Journal of Propulsion Technology， 2021， 42（8）： 1839-1847 （in Chinese）. | |
| 11 | 王强， 吉洪湖， 胡娅萍， 等. 考虑磨损效应的指尖密封瞬态泄漏特性分析［J］. 推进技术， 2020， 41（12）： 2815-2826. |
| WANG Q， JI H H， HU Y P， et al. Transient leakage characteristics analysis of finger seal considering wear effects［J］. Journal of Propulsion Technology， 2020， 41（12）： 2815-2826 （in Chinese）. | |
| 12 | 张延超， 陈国定， 申晓龙. 指尖密封动态性能分析与泄漏量计算［J］. 航空学报， 2009， 30（11）： 2193-2199. |
| ZHANG Y C， CHEN G D， SHEN X L. Analysis of dynamic performance and leakage for finger seal［J］. ActaAeronautica et Astronautica Sinica， 2009， 30（11）： 2193-2199 （in Chinese）. | |
| 13 | 白花蕾. 圆弧型线指尖密封结构的形成方法和迟滞性能分析［J］. 航空发动机， 2014， 40（3）： 49-51. |
| BAI H L. Analysis of hysteresis and forming method for finger seal with arc shape curve［J］. Aeroengine， 2014， 40（3）： 49-51 （in Chinese）. | |
| 14 | ZHANG Y C， YIN M H， ZENG Q R， et al. Theoretical and experimental investigation of variable stiffness finger seal［J］. Tribology Transactions， 2020， 63（4）： 634-646. |
| 15 | 宗兆科， 苏华. 圆弧型指尖密封的几何构型特征及结构优化［J］. 航空学报， 2010， 31（2）： 393-399. |
| ZONG Z K， SU H. Geometric feature and structure optimization of arc finger seal［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2010， 31（2）： 393-399 （in Chinese）. | |
| 16 | 葛毅成， 易茂中. 基体碳结构对轴间密封环用C/C复合材料摩擦磨损特性的影响［J］. 航空学报， 2004， 25（6）： 619-624. |
| GE Y C， YI M Z. Influence of carbon matrix on the tribology of C/C composites used as shaft sealing ring［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2004， 25（6）： 619-624 （in Chinese）. | |
| 17 | 潘广镇， 齐乐华， 付业伟， 等. 碳纤维布复合材料摩擦性能研究进展［J］. 中国材料进展， 2015， 34（6）： 453-460. |
| PAN G Z， QI L H， FU Y W， et al. Progress in tribological properties of carbon fabric composites［J］. Materials China， 2015， 34（6）： 453-460 （in Chinese）. | |
| 18 | 孙洋， 黄建， 韩晨晨， 等. 二维与三维机织复合材料面内力学性能对比［J］. 航空学报， 2023， 44（18）： 428267. |
| SUN Y， HUANG J， HAN C C， et al. Comparison of in-plane mechanical properties of 2D and 3D woven composites［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（18）： 428267 （in Chinese）. | |
| 19 | 陈继刚，薛亚红， 闫世程. 二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测［J］. 复合材料学报， 2016， 33（8）： 1702-1709. |
| CHEN J G， XUE Y H， YAN S C. Finite element prediction of elastic constants for 2D woven fabric composite［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2016， 33（8）： 1702-1709 （in Chinese）. | |
| 20 | WANG L N， WANG Y， SUN H C， et al. Dynamic analysis and experimental verification of the carbon?-?carbon composite finger seal under complex working states［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2019， 233（8）： 2914-2922. |
| 21 | 王莉娜， 陈国定， 苏华， 等. 考虑装配条件的C/C复合材料指尖密封动态性能［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2016， 48（7）： 135-139. |
| WANG L N， CHEN G D， SU H， et al. Dynamic performance of C/C composite finger seal considering assembly condition［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2016， 48（7）： 135-139 （in Chinese）. | |
| 22 | WANG L N， CHEN G D， SU H， et al. Impact dynamic analysis of C/C composite finger seal［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2017， 231（7）： 1225-1237. |
| 23 | 路菲， 陈国定， 苏华， 等. 2.5D碳/碳复合材料指尖密封动态性能分析［J］. 航空学报， 2013， 34（11）： 2616-2625. |
| LU F， CHEN G D， SU H， et al. Analysis of dynamic performance for 2.5D carbon-carbon composite finger seals［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（11）： 2616-2625 （in Chinese）. | |
| 24 | 路菲， 陈国定， 苏华， 等. 指尖密封用炭-炭复合材料摩擦磨损性能［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2017， 49（1）： 184-188. |
| LU F， CHEN G D， SU H， et al. Friction and wear behaviors of carbon-carbon composites used in finger seal［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2017， 49（1）： 184-188 （in Chinese）. | |
| 25 | LU F， LIU J， PANG X J， et al. Wear modelling and sealing performance prediction of C/C composite finger seal［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2023， 237（5）： 1142-1155. |
| 26 | SU H， ZHANG C D， SUN S. Research on the wear model of carbon/carbon composite finger seal［J］. Wear， 2021， 476： 203682. |
| 27 | ZHANG Y C， ZHOU R M， YIN M H， et al. Experimental investigation on friction and wear performance of C/C composite finger seal［J］. Journal of Tribology， 2022， 144（2）： 021701. |
| 28 | 庞生洋， 胡成龙， 杨鸷， 等. 预制体结构对C/C复合材料力学性能、断裂行为以及热物性能的影响［J］. 机械工程学报， 2018， 54（9）： 97-107. |
| PANG S Y， HU C L， YANG Z， et al. Effects of preform structures on the mechanical properties， fracture behaviors and thermophysical properties of C/C composites［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（9）： 97-107 （in Chinese）. | |
| 29 | 姜卓群， 黄盛， 王占学. 2D编织C/SiC孔边致密化结构多尺度混合模型与拉伸性能［J］. 航空学报， 2024， 45（13）： 628713. |
| JIANG Z Q， HUANG S， WANG Z X. Multiscale hybrid modeling and tensile properties of 2D braided C/ SiC with hole-edge densification structures［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（13）： 628713 （in Chinese）. | |
| 30 | SU H， WANG L. Study on 2.5D C/C composite finger seal integrate optimization combined with microstructural parameters of material and macro geometry of finger seal［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2017， 231（9）： 1599-1608. |
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