鈦合金高速變形過程中Johnson-Cook模型參數(shù)的確定與校驗

渦輪葉片是飛機發(fā)動機最主要的結構件之一，長期工作在高溫環(huán)境下，且承受轉子高速旋轉時葉片自身的離心力、氣動力、熱應力以及振動負荷。

在實際使用過程中，若葉片發(fā)生斷裂，會引起一系列災難，其中最危險的情況就屬具有很高動能的斷裂葉片穿透發(fā)動機機匣，這樣不僅會損壞發(fā)動機，而且會造成整個飛機受損。因此，發(fā)動機機匣在破裂葉片沖擊之下的抗穿透性能是設計飛機渦輪發(fā)動機的關鍵參數(shù)。建立可靠、精確的抗穿透性能評價方法，是近年來全球飛機發(fā)動機工業(yè)的重要任務。將實驗研究和三維計算機模擬技術相結合是建立評價方法的基礎。Johnson-Cook模型可以用來描述材料在高速沖擊等極端條件下的變形行為，該模型的參數(shù)與應力狀態(tài)、應變速度和溫度有關。但是獲得這些參數(shù)，需要大量的材料動態(tài)性能數(shù)據(jù)，即使使用最先進的實驗方法，也很難確定該模型的參數(shù)。

俄羅斯學者A. E. Buzyurkin等人提出了一種依據(jù)沖撞實驗確定Johnson-Cook模型參數(shù)的方法，能夠使鈦合金成形模擬計算更加可靠。在俄羅斯的Aviadvigate lO JSC實驗室，建立了一種能夠確定發(fā)動機機匣材料能量消耗特性和結構的實驗裝置。在該裝置中，葉片高速旋轉，斷裂后沖撞機匣。采用不同材料、不同厚度的機匣以及葉片初始旋轉速度，分別進行了5組實驗。同時，基于LS-DYNA有限元軟件，進行了發(fā)動機葉片高速撞擊機匣的變形和斷裂過程的數(shù)值模擬。模擬實驗根據(jù)實驗情形采用三維模型，并選擇拉格朗日算法。機匣材料選用Johnson-Cook塑性模型（LS-DYNAMat15）以及適用于Mie-Gruneisen狀態(tài)方程的斷裂準則進行模擬。葉片材料選用分段式彈塑性模型（LS-DYNAMat24）進行模擬。采用單面接觸算法進行描述葉片和機匣的接觸過程。葉片和機匣全部采用8節(jié)點六面體完全積分實體單元進行離散，在可能出現(xiàn)較大變形或較大應變梯度的地方，單元會更加細小。因此，在碰撞區(qū)域的厚度方向選擇6個單元。對模型網(wǎng)格劃分進行了收斂性測試，即不斷的細化網(wǎng)格并求解計算，當?shù)诙闻c上一次的結果基本一致時，則可以認為上一次的網(wǎng)格劃分是足夠的。

首先，通過準靜態(tài)加載，獲得了材料的應力應變數(shù)據(jù)。其次，先給予材料模型參數(shù)一個初始值，通過模擬計算，與實際實驗結果進行對比，通過調(diào)整材料模型參數(shù)，當模擬葉片穿透機匣的殘余速度與實驗誤差較小時，則能夠確定該模型參數(shù)是合適的。最后，研究獲得了常用于制造飛機發(fā)動機機匣的VT6、OT4和OT4-0鈦合金材料的Johnson-Cook模型的8個參數(shù)，基于這些參數(shù)下的模擬計算結果與實驗結果吻合。