Numerical Failure Analysis of a Carbon Fiber Composite Ring Sleeve for a High-Speed Rotor

Abstract

Å begrense de økende utslippene fra kommersiell luftfart har blitt en global prioritering. For å møte kravene om redusert miljøpåvirkning, forskes det for tiden på hybrid-elektriske flyteknologi. Denne oppgaven undersøker først og fremst krav og mulige løsninger for å holde fast magnetene i høyhastighets-rotoren i en elektrisk motor tilhørnde et passasjerfly. En motor på 2,5 megawatt blir presentert og undersøkt. En foreslått hylse av karbonfiber, segmentert i ringer, blir undersøkt. Designet innebærer en rekke utfordrende problemer som må løses gjennom inngående kunnskap om komposittmaterialer. Mekaniske problemer blir diskutert, og en grundig beskrivelse av rotorkonstruksjonen blir gitt. Krav til neste generasjons fremdriftssystem blir presentert, og relatert teori blir gjennomgått. Prosedyren for å konstruere en elementmodell av rotoren blir grundig diskutert, med en foreslått løsning på hvordan man kan simulere presspasningen av ringen. Hele rotoren blir simulert for å bestemme dens virkning på ringen. De komplekse effektene relatert til ringens utforming blir undersøkt, og rotorens påvirkning på ringen gjenskapes i en frittstående elementmodell. Det utføres en numerisk sviktanalyse av ringen. Et numerisk rammeverk for modellering av delaminering konstrueres, med vekt på implementering og relaterte utfordringer. Til slutt undersøkes parametrene som er nødvendige for å initiere svikt i ringen.

Curtailing the increasing emissions from commercial aviation has become a global priority. In order to meet the demand for reduced environmental impact, hybrid-electric aircraft-technology are currently researched. This work specifically investigates requirements and possible solutions for containing the high-speed rotor in a commercial airliner electric-fan engine. A 2.5-megawatt electric-fan engine is presented and examined. A proposed carbon-fiber segmented rotor sleeve is investigated. The design presents a range of challenging issues that must be resolved through in-depth knowledge about the performance of composite materials. Mechanical concerns are discussed, and a thorough description of the rotor structure is given. Requirements for the next-generation propulsion system is reviewed, and related theory is presented. The approach to construct the finite element model of the rotor is thoroughly discussed, with a solution given on how to simulate the interference fit. The high-speed rotor mechanics as a whole is simulated to determine its impact on the sleeve. The complex effects related to the the sleeve design is examined, and the impact on the sleeve is recreated in a stand-alone finite element model. A numerical failure analysis is performed, where a framework for cohesive zone modeling of the sleeve is constructed and implemented in the finite element model. Emphasis is put on implementation and related challenges. Finally the parameters required to initiate failure of the sleeve is investigated.