基于johnson-cook模型硬物损伤数值模拟的研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要航空发动机在其工作过程中会发生风扇/压气机叶片的硬物损伤事件，给发动机和飞机的飞行安全带来危害。本文主要针对风扇/压气机叶片的抗硬物损伤设计，开展了基于Johnson-Cook材料模型的硬物损伤数值模拟方法研究。对Johnson-Cook材料模型（包括本构模型和失效模型）进行了应用研究。应用径向返回算法，推导了单轴Johnson-Cook本构模型的应力积分公式，发展了本构模型和失效模型材料参数的估计方法，编写了材料参数优化估计程序。根据TC4合金的材料试验数据，估计获得了T

2、C4合金的Johnson-Cook模型材料参数，其中本构模型包括五种不同的应变率项。通过本构模型计算曲线与试验曲线的对比，结果表明：五种不同应变率项的Johnson-Cook本构模型能够较好地描述TC4合金的应变率和温度相关变形行为，其中Cowper-Symonds应变率修正模型外推至FOD所能达到的应变率范围时6（10/s）预测结果偏大。基于TC4合金的Johnson-Cook模型，对硬物损伤数值模拟方法进行了研究。首先，研究了不同因素对硬物损伤模拟结果的影响，结果表明：粗网格和细网格都不适合于FOD材

3、料失效的预测，应设置合适的接触刚度系数，除Cowper-Symonds应变率修正模型外，其他几种模型的硬物损伤模拟结果基本相同。对多组硬物损伤试验进行了数值模拟，结果表明：Johnson-Cook模型在一定程度上可以较好地预测风扇/压气机叶片的硬物损伤。最后对某型发动机第I级压气机转子叶片进行了硬物损伤数值模拟，结果表明：不同冲击位置、冲击角度、硬物尺寸、冲击速度对叶片硬物损伤有不同重要影响。关键词：航空发动机，风扇/压气机，叶片，硬物损伤，数值模拟，本构模型，失效模型，参数估计·I·基于Johnson-

4、Cook模型的硬物损伤数值模拟研究ABSTRACTForeignobjectdamage(FOD)eventstofan/compressorbladesoftenoccurduringtheoperationofaeroengine.Theyareverydangeroustotheflyingsaftyofaeroengineandaircraft.NumericalmodelingofFODbasingJohnson-Cookmaterialmodelisperformedinthispaper.J

5、ohnson-Cookmaterialmodel(includingconstitutivemodelandfailuremodel)wasstudied.StressintegrationprocessofuniaxialJohnson-Cookconstitutivemodelwereformulatedbasingradialreturnalgorithm.ParameterestimationmethodforJohnson-Cookconstitutivemodelandfailuremodel

6、wasdeveloped,andmaterialparameteroptimizationcodewaswrited.ThematerialparametersofJohnson-CookmodelforTC4alloywasestimatedaccrodingtotheexperimentdataofTC4alloy.ConstitutivemodelsforTC4withfivedifferentstrainrateitemswerebuilt.Thepredictedstress-straincur

7、veswerecomparedtotheexperimentdata.ResultsshowthatJohnson-Cookconstitutivemodelcandescribethequasi-staticanddynamicresponseofTC4alloywelloverawidestrainrateandtemperaturerange.ButthemodelwithCowper-Symondsstrainrate6itemoverpredictedthestressreponseatstra

8、inrateof10/s.TheerrorbetweennotchtensionexperimentdataandcalculatingresultsofJohnson-Cookfailuremodelwasacceptable.NumericalsimulationmethodforFODwasstudiedbasedonJohnson-CookmodelofTC4alloy.Firstly,someresearchwere