發動機葉片，航空，Johnson-Cook本構，鳥撞
關注創建者：。_5612 創建時間：2020-08-18
發動機葉片，航空，Johnson-Cook本構，鳥撞的實例教程
一、概述
隨著航空技術的迅猛發展，飛機數量和飛行航次急速增多，飛機鳥撞事故的數量也呈現上升趨勢。鳥撞事故一般發生在飛機起飛降落階段，以及軍用飛機低空高速飛行時。飛機鳥撞事故的嚴重程度取決于所撞飛機部位、鳥體質量以及鳥與飛機相對撞擊速度。根據統計，發動機風扇葉片和風擋是受鳥撞擊概率最大的兩個部位。由于鳥體的沖擊力可能會打碎發動機葉片，而鳥在被攪碎之后，遺骸也可能堵塞發動機的管道，在撞鳥后，發動機往往會出現喘振起火，甚至自行停車，因此鳥撞發動機葉片的危害極大。
鳥撞發動機的研究主要有實驗和數值仿真方法兩種。早期主要通過實驗進行，但這類試驗成本很高。20世紀隨著計算機和仿真技術的發展，數值仿真在鳥撞發動機的研究中得到了廣泛應用。鳥撞發動機問題屬于高度非線性沖擊動力學問題，撞擊過程中葉片會產生大變形，而鳥體會呈現碎裂、流變現象。因此對鳥體建立準確地數值模型是鳥撞數值分析中的難點。
根據鳥撞發動機風扇葉片動態響應的特點，本文混合使用SPH方法和有限元方法，鳥體采用SPH方法建模，用流動的粒子描述鳥體的大變形、破碎及飛散。發動機葉片區域使用有限元Lagrange方法，用Johnson-Cook材料本構模型模擬高速碰撞下的塑性變形。
二、工況及建模
飛機渦扇發動機風扇由葉片和輪轂組成。葉片呈發散狀，共有20片，材料為鈦合金，其楊氏模量為115GPa，密度為4440kg/m3，泊松比為0.3，塑性本構采用Johnson-Cook模型。本例的材料參數由南京智能制造研究院的CoCreation材料數據庫提供，感興趣的可以添加微信公眾號“天天材訊”進行了解。
展開 
發動機葉片，航空，Johnson-Cook本構，鳥撞的相關專題、標簽、搜索
發動機葉片，航空，Johnson-Cook本構，鳥撞的最新內容
? 汽車與新能源：整車碰撞仿真替代 70% 以上物理試驗，縮短安全開發周期 50%；電池包仿真提前識別熱失控風險，降低召回與安全事故概率；車身輕量化與耐撞性協同優化，實現減重與安全的雙重目標。
? 航空航天：精準模擬鳥撞、冰雹沖擊、發動機葉片脫落、水上迫降等場景，保障飛行器結構安全；復合材料結構沖擊仿真，助力輕量化設計與強度驗證。
</p><p>將漸進損傷方法與葉片材料彈塑性本構相結合，在ABAQUS UMAT子程序中進行材料本構的定義，UMAT子程序[2]邏輯如下圖所示。
（臨界狀態理論，劍橋模型，狀態相關本構，邊界面模型）
https://www.yqgqt.org.cn/video/c15737
否
土體亞塑性本構理論
https://www.yqgqt.org.cn/video/c15800
否
VUMAT二次開發教程從入門到高級
https
刀具材料為W12Cr4V5Co5(T15）高速鋼，工件材料為FGH95高溫合金，采用AdvantEdge軟件內部自帶的經驗型本構模型J-C(Johnson-Cook）模型，J-C模型將材料流動應力表示為應變硬化函數f1(εp）、應變率函數和熱軟化函數f3(T）這3個函數的乘積，具體表達式為
式中，σ為流動應力（MPa),εp為等效塑性變形，ε為應變率（s-1),為參考應變率（s-1),T為實驗溫度
本文材料模型采用Johnson-Cook本構模型，可反映出材料的應變硬化效應、應變強化效應和熱軟化效應，其形式為
式中，σ為流動應力（MPa）；ε為塑性應變；ε0為參考應變率；T為溫度（℃）；Tr為室溫（℃）；Tm為材料熔點（℃）；A、B、C、m、n為材料參數，數值見表4[5]。
本文材料模型采用Johnson-Cook本構模型，可反映出材料的應變硬化效應、應變強化效應和熱軟化效應，其形式為
式中，σ為流動應力（MPa）；ε為塑性應變；ε0為參考應變率；T為溫度（℃）；Tr為室溫（℃）；Tm為材料熔點（℃）；A、B、C、m、n為材料參數，數值見表4[5]。
因此，在纖維增強復合材料機匣包容能力分析過程中引入應變率相關材料本構模型是非常必要的。
復合材料機匣包容性有限元模型
此外，有限元模型對復合材料侵徹過程的數值仿真結果會產生較大影響。目前，復合材料有限元模型主要有連續體模型、準細觀模型和細觀模型等。
3.1 空腔結構設計
1）基于結構輕量化的目標
在有效實現葉片輕質的同時，必須同時考慮空心結構設計受到葉片服役狀態下離心力、鳥撞等復雜載荷的影響。在空腔結構的概念設計階段，應當加強獲得風扇葉片空心結構材料分布的優化設計系統理論指導。
目前，ANSYS Explicit STR被廣泛應用于飛機的鳥撞分析、葉片包容性分析、產品的跌落分析、材料成型分析等。
采用ANSYS顯式動力學產品，相當于擁有了一整套高級的分析工具，能夠分析幾乎任何可仿真的問題。
發動機葉片區域使用有限元Lagrange方法，用Johnson-Cook材料本構模型模擬高速碰撞下的塑性變形。
二、工況及建模
飛機渦扇發動機風扇由葉片和輪轂組成。葉片呈發散狀，共有20片，材料為鈦合金，其楊氏模量為115GPa，密度為4440kg/m3，泊松比為0.3，塑性本構采用Johnson-Cook模型。
