钛合金叶片外物损伤试验与数值模拟研究

摘要

外物损伤（Foreign Object Damage，FOD）是航空发动机使用中的一种常见故障。FOD产生的应力集中及微观损伤等容易使叶片在振动载荷作用下发生高循环疲劳（High Cycle Fatigue，HCF）失效。采用试验和数值模拟方法对FOD进行研究，对全面揭示FOD特征及进一步研究FOD对叶片HCF性能的影响具有重要意义。本文针对TC4钛合金叶片，开展了FOD试验与数值模拟研究，主要工作如下：
　　（1）采用空气炮法开展了TC4钛合金叶片的FOD模拟试验，对冲击损伤的宏观形貌、微结构变化及损伤附近区域的残余应力分布进行了观测和表征。结果表明：冲击损伤大小与冲击能量紧密相关，TC4钛合金在冲击载荷下的失效机制为绝热剪切冲塞失效，冲击损伤附近产生绝热剪切带，且存在较高水平的拉伸残余应力。
　　（2）开展了TC4钛合金的准静态拉伸、霍普金森压杆（SHPB）和缺口拉伸试验，测试获得了TC4钛合金在不同温度和不同应变率下的真应力-真应变曲线，估计获得了针对TC4钛合金的Bammann模型材料参数。结果表明：TC4钛合金是一种温度与应变率敏感性明显的材料，TC4缺口拉伸失效应变的大小与缺口根部半径相关，根部半径越大，失效应变越大，Bammann模型可以合理描述TC4钛合金的变形行为及拉伸失效行为。
　　（3）基于Bammann模型对典型FOD试验进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比分析。结果表明：Bammann模型对不同冲击条件下的冲击损伤模拟效果较好，不仅可以准确模拟冲击损伤的形貌和尺寸，还可以利用细密网格有限元模型模拟出材料受冲击时的塑性变形局部化及绝热剪切冲塞失效现象。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2 FOD研究概况

1.3 FOD试验模拟技术发展概况

1.4 FOD数值模拟技术研究概况

1.5本文的研究内容

第二章 FOD模拟试验及损伤表征

2.1引言

2.2 FOD模拟试验

2.3 FOD表征

2.4本章小结

第三章 TC4钛合金动态行为试验及模型

3.1引言

3.2 TC4钛合金材料试验

3.3 Bammann损伤模型参数估计

3.4本章小结

第四章 FOD数值模拟

4.1引言

4.2 FOD数值模拟方法

4.3 冲击试验数值模拟与分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文