Characterization and modeling of the thermo-mechanical behavior of a Ti-6Al-4V alloy under dynamic complex loading
Caractérisation et modélisation du comportement thermo-mécanique d’un alliage de titane Ti-6Al-4V sous chargement dynamique complexe
Résumé
During the aircraft engine certification, various components are tested against ballistic
phenomena. The engine fan must accordingly resist bird strike and blade loss without
compromising the whole engine thrust performance. Fan blades, and particularly their
leading edge, undergo large deformation under high strain rate, non-proportional loading
paths and plastic dissipation induced self-heating. Due to their high specific mechanical
properties, Ti-6Al-4V titanium alloys are promising candidates for fan multi-component
blade leading edge. In this work, an experimental campaign has been carried out on a
cold rolled Ti-6Al-4V alloy comprising tension, compression and shear tests performed at
various temperatures and (low and high) strain rates, under monotonic and alternated
loading paths. Based on these results, a constitutive model has been developed accounting
for the combined effects of orthotropy, strength differential, nonlinear kinematic and
isotropic hardenings, strain rate hardening as well as thermal softening. Material constants
have been identified using Zset software. The model has been implemented as
user material (Fortran) subroutine into the commercial finite element computation code
LS-DYNA. The performances of the numerical model have then been estimated by conducting
numerical simulations considering a volume element under various loading paths
as well as the specimens used for the experimental campaign.
Lors de la certification des moteurs d’avion, certains composants sont testés vis-à-vis de
phénomènes balistiques. La soufflante doit ainsi résister à l’ingestion d’oiseaux et à la
perte d’aubes sans compromettre les performances globales du réacteur. Les aubes de
soufflante, et particulièrement leur bord d’attaque, subissent des déformations élevées à
grande vitesse, des chargements non proportionnels et un auto-échauffement induit par
la dissipation plastique. Compte tenu de leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques,
les alliages de titane Ti-6Al-4V sont considérés comme des candidats prometteurs pour le
bord d’attaque d’aubes de soufflante multi-composants. Dans ce travail, une campagne
expérimentale a été menée sur un alliage de Ti-6Al-4V laminé comprenant des essais de
traction, compression et cisaillement à plusieurs températures et vitesses de déformation
(lentes et rapides), sous des trajets de chargements monotones et alternés. A partir des
résultats obtenus, un modèle constitutif a été développé rendant compte des effets combinés
de l’orthotropie, de l’asymétrie traction-compression, des écrouissages cinématique
et isotrope non linéaires, de la vitesse et de l’adoucissement thermique. Les constantes
ont été identifiées au moyen du logiciel Zset. Le modèle a ensuite été implémenté en
tant que procédure matériau utilisateur (Fortran) dans le code de calculs commercial par
élément finis LS-DYNA. Les performances du modèle numérique ont alors été évaluées en
menant des simulations numériques sur un élément de volume soumis à différents trajets
de chargement ainsi que sur des éprouvettes utilisées pour la campagne expérimentale.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)