钛合金高速变形过程中Johnson-Cook模型参数的确定与校验

涡轮叶片是飞机发动机最主要的结构件之一，长期工作在高温环境下，且承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热应力以及振动负荷。在实际使用过程中，若叶片发生断裂，会引起一系列灾难，其中最危险的情况就属具有很高动能的断裂叶片穿透发动机机匣，这样不仅会损坏发动机，而且会造成整个飞机受损。因此，发动机机匣在破裂叶片冲击之下的抗穿透性能是设计飞机涡轮发动机的关键参数。建立可靠、精确的抗穿透性能评价方法，是近年来全球飞机发动机工业的重要任务。将实验研究和三维计算机模拟技术相结合是建立评价方法的基础。Johnson-Cook模型可以用来描述材料在高速冲击等极端条件下的变形行为，该模型的参数与应力状态、应变速度和温度有关。但是获得这些参数，需要大量的材料动态性能数据，即使使用最先进的实验方法，也很难确定该模型的参数。

俄罗斯学者A.E.Buzyurkin等人提出了一种依据冲撞实验确定Johnson-Cook模型参数的方法，能够使钛合金成形模拟计算更加可靠。在俄罗斯的AviadvigatelOJSC实验室，建立了一种能够确定发动机机匣材料能量消耗特性和结构的实验装置。在该装置中，叶片高速旋转，断裂后冲撞机匣。采用不同材料、不同厚度的机匣以及叶片初始旋转速度，分别进行了5组实验。同时，基于LS-DYNA有限元软件，进行了发动机叶片高速撞击机匣的变形和断裂过程的数值模拟。模拟实验根据实验情形采用三维模型，并选择拉格朗日算法。机匣材料选用Johnson-Cook塑性模型(LS-DYNAMat15)以及适用于Mie-Gruneisen状态方程的断裂准则进行模拟。叶片材料选用分段式弹塑性模型(LS-DYNAMat24)进行模拟。采用单面接触算法进行描述叶片和机匣的接触过程。叶片和机匣全部采用8节点六面体完全积分实体单元进行离散，在可能出现较大变形或较大应变梯度的地方，单元会更加细小。因此，在碰撞区域的厚度方向选择6个单元。对模型网格划分进行了收敛性测试，即不断的细化网格并求解计算，当第二次与上一次的结果基本一致时，则可以认为上一次的网格划分是足够的。

首先，通过准静态加载，获得了材料的应力应变数据。其次，先给予材料模型参数一个初始值，通过模拟计算，与实际实验结果进行对比，通过调整材料模型参数，当模拟叶片穿透机匣的残余速度与实验误差较小时，则能够确定该模型参数是合适的。最后，研究获得了常用于制造飞机发动机机匣的VT6、OT4和OT4-0钛合金材料的Johnson-Cook模型的8个参数，基于这些参数下的模拟计算结果与实验结果吻合。