航空发动机涡轮机匣在断叶冲击下的力学行为：修正J-C模型及W-K失效准则
一、 内容简介
Inconel 718镍基高温合金因其优异的抗高温强度和热稳定性，被广泛用于航空发动机热端部件，如涡轮机匣、转子叶片、内环等。在叶片撞击涡轮机匣的过程中，材料可能同时承受拉伸、压缩、剪切等多种应力作用，而描述材料这种复杂应力状态下的力学响应，是提升仿真预测可靠性的关键。本文针对Inconel 718高温合金，提出了一个考虑应力状态、应变率和温度效应的MJC塑性模型和NWK失效准则用来描述材料的塑性流动和损伤行为。通过设计三组多种不同类型试验件，开展材料在不同加载条件下的力学性能测试。同时，采用反向迭代的方法建立试样的有限元模型，如图1所示，实现对材料模型参数的标定和优化。研究结果表明，Inconel 718合金的塑性流动对Lode参数较为敏感，而对应力三轴度则可以忽略不计；高温下材料的热软化行为呈现非线性特征。
图1. 不同试样的有限元模型 （a）SRB （b）NRB-R1.5（c）NRB-R2（d）NRB-R2.5（e）SH（f）PS （g）DTI
利用LS-DYNA非线性有限元软件提供的二次开发接口进行用户自定子程序编写，并基于有限元方法对新提出的材料模型进行验证。通过开展高温弹道冲击试验和数值仿真模拟，对试验和仿真结果进行对比分析，如图2所示。可以看出，相较于传统的J-C模型，新模型能更准确地预Inconel 718合金在高温高速冲击下的塑性变形和冲塞失效。
图2.试验与仿真结果对比
二、小结
二、小结
本研究聚焦于在发动机涡轮部件广泛应用的Inconle 718高温合金，提出了一种考虑应力状态、应变率与温度效应的MJC塑性模型与NWK失效准则，用以描述材料在动态冲击下的塑性变形和失效行为。通过对不同加载条件下的力学性能测试和反向迭代实现对模型参数的标定和优化，并经弹道冲击试验验证了新模型的有效性。研究成果可为航空发动机涡轮机匣的抗冲击设计与失效预测提供更为可靠和精准的数值工具和理论依据。
原始文献：
Cao, M., Zhang, C., Ren, T., Liu, Z., Du, B., Zhao, Z., Liu, J., Li, Y.. A modified Johnson-Cook model and a novel Wilkins-Kamoulakos model used to simulate the impact between aero-engine turbine casing and fractured blade. Thin-Walled Structures. 2026; 220: 114277.
论文链接：
