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基于Johnson-Cook模型的硬物损伤数值模拟研究

作　者: 季玉辉
导　师: 宋迎东
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
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
分类号: V231.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 171次
引　用: 2次
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内容摘要

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TC4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(106/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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-16
第一章绪论  16-22
  1.1 本文的研究背景  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-21
    1.2.1 国外研究现状  18-20
    1.2.2 国内研究现状  20-21
  1.3 本文研究的主要内容  21-22
第二章 TC4 合金的JOHNSON-COOK 模型  22-44
  2.1 引言  22
  2.2 JOHNSON-COOK 模型的基本方程  22-29
    2.2.1 基本概念  22-24
    2.2.2 Johnson-Cook 本构模型的基本方程  24-26
    2.2.3 单轴Johnson-Cook 本构模型的应力积分方法  26-28
    2.2.4 Johnson-Cook 失效模型的基本方程  28-29
  2.3 TC4 合金的JOHNSON-COOK 本构模型  29-40
    2.3.1 TC4 合金的真应力-真应变曲线试验结果和平滑处理[49]  29-30
    2.3.2 Johnson-Cook 本构模型材料参数的估计方法  30-36
    2.3.3 TC4 合金Johnson-Cook 本构模型的建立  36-40
  2.4 TC4 合金的JOHNSON-COOK 失效模型  40-42
    2.4.1 TC4 合金的缺口拉伸试验数据  40-41
    2.4.2 Johnson-Cook 失效模型参数估计方法  41-42
    2.4.3 Johnson-Cook 失效模型参数的确定  42
  2.5 本章小结  42-44
第三章基于JOHNSON-COOK 模型的硬物损伤数值模拟研究  44-81
  3.1 引言  44
  3.2 LS-DYNA 计算的基本理论  44-50
    3.2.1 LS-DYNA 计算的一般过程  44-45
    3.2.2 LS-DYNA 计算的基本理论  45-50
  3.3 计算参数和材料模型对硬物损伤数值模拟结果的影响分析  50-62
    3.3.1 网格密度对计算结果的影响  51-53
    3.3.2 接触参数对计算结果的影响  53-58
    3.3.3 单元层裂模式的影响  58-60
    3.3.4 不同形式Johnson-Cook 本构模型的影响  60-62
  3.4 硬物损伤试验的数值模拟  62-71
    3.4.1 计算模型  62-63
    3.4.2 90°冲击试验的数值模拟  63-68
    3.4.3 30°冲击试验的数值模拟  68-71
  3.5 某型发动机第I 级压气机转子叶片硬物损伤的有限元数值模拟  71-80
    3.5.1 叶片的有限元模型和硬物损伤数值模拟方案  71-73
    3.5.2 叶片不同部位的硬物损伤数值模拟  73-75
    3.5.3 不同冲击角度的硬物损伤数值模拟  75-77
    3.5.4 不同尺寸硬物的硬物损伤数值模拟  77-78
    3.5.5 不同冲击速度的硬物损伤数值模拟  78-80
  3.6 本章小结  80-81
第四章全文总结与展望  81-83
  4.1 本文的主要工作与结论  81-82
  4.2 今后的研究展望  82-83
参考文献  83-88
致谢  88-89
在学期间的研究成果及发表的学术论文  89

基于Johnson-Cook模型的硬物损伤数值模拟研究

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