مدل‌سازی المان‌محدود فرسایش ذره جامد چندگانه آلیاژ Ti-6al-4v بر اساس مدل‌های پلاستیسیته و آسیب جانسون- کوک

در پژوهش حاضر فرسایش ذره جامد آلیاژ ti6al4v تحت برخورد ذرات چندگانه با استفاده از مدل‌سازی المان‌محدود بررسی شد. رفتار فرسایشی این آلیاژ نرم بر اساس معادلات پلاستیسیته و آسیب جانسون کوک و به‌صورت یک مدل ضربه در مقیاس میکرو شبیه‌سازی شده است. رفتار فرسایشی مواد معمولاً با استفاده از پارامتر نرخ فرسایش حجمی توصیف می‌شود که به‌صورت نسبت حجم فرسایش‌یافته از سطح آلیاژ به جرم ذرات فرساینده تعریف می‌شود. در این مقاله ابتدا نتایج حاصل از مدل المان‌محدود با نتایج مدل‌های رایج در فرسایش صحت‌سنجی شد. سپس عوامل موثر بر رفتار فرسایشی آلیاژ مانند سرعت ذرات برخوردکننده، اندازه ذرات، زاویه برخورد ذرات، اثر دما و همچنین شکل ذرات مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که بین سرعت ذرات و نرخ فرسایش یک رابطه توانی برقرار است. همچنین با افزایش اندازه ذرات، نرخ فرسایش ابتدا افزایش می‌یابد و پس از یک اندازه ذره مشخص، رفتار ثابتی از خود نشان می‌دهد. مطابق نتایج حداکثر نرخ فرسایش آلیاژ ti6al4v برای زاویه برخوردی 40درجه و دمای 473کلوین (دمای میانگین طبقات میانی کمپرسور) به ثبت رسیده است. نشان داده می‌شود در صورتی که شکل ذرات کروی برخوردکننده به ذرات گوشه‌دار تغییر کند نرخ فرسایش آلیاژ به بیش از چهار برابر افزایش می‌یابد.

Finite Element Modeling of Multiple Solid Particles Erosion for Ti-6Al-4V Based on Johnson-Cook Plasticity and Failure Models

In the present study, solid particle erosion of Ti6Al4V alloy under multiple particles impact was investigated using finite element modeling. The erosive behavior of this ductile alloy has been simulated as a microscale impact model based on JohnsonCook plasticity and failure equations. Erosive behavior is usually described by the volumetric erosion rate, which is introduced as the eroded volume ratio of alloy surfaces to the mass of the eroding particles. In this paper, the results of the finite element model were validated by comparing with results of typical erosion models. Then, effective factors on erosive behavior of alloy, such as impacting particles velocity, particles size, particles impact angle, temperature effects, and particles shape will be investigated. Results show that there is an exponential relation between particle velocity and erosion rate. Also, as particle size increases, the erosion rate increases at first and after a specific particle size, erosion rate presents a constant trend. The maximum erosion rate has been recorded at an impact angle of 40 degrees and a temperature of 473 Kelvin (average temperature of the middle stages of the compressor). It is shown that when spherical particles shape changes to the angular shape, the erosion rate increases more than four times.