RD-E：5502 回転するファンブレードと氷の衝突と破壊

２つの雹（ひょう）の球氷が『RD-E： 5501 ファンブレードの回転の初期設定』からのモデルに追加され、衝突した際のブレードの変形と破壊を検証します。

回転によるブレード内の応力が、Radioss状態ファイル/STATEの使用により説明されます。材料の破壊を考慮するために、Johnson-Cook破壊モデル/FAIL/JOHNSONがブレードの要素に適用されます。

使用されるオプションとキーワード

回転する構造内の遠心力プレロード
新規シミュレーション内にプレロード応力を適用するために用いられる状態ファイル（/STATE）
陰解法シミュレーションオプション（陰解法）
遠心力場（/LOAD/CENTRI）
軸周りの回転速度（/INIV/AXIS/Z/1）
Engineファイルでの境界条件削除（/BCSR）
Johnson-Cook破壊モデル(/FAIL/JOHNSON)

回転するブレードによって生じる応力の状態は、Radioss状態ファイル、RUNAME_0001.sta、（/STATE/*キーワード）に保存され、将来の解析で適用されることが可能です。これにより、構造の残りの部分に設計変更が加えられる度にRadioss陰解法プレロードステップを再実行する必要がなくなります。*.staファイルには、要求されているシェル要素について、変形した節点の座標値、要素定義および初期応力状態が含まれます。

注: 衝撃解析に状態ファイルをより簡単に含めるために、状態ファイル内のパートの節点と要素がRD-E：5501 ファンブレードの回転の初期設定内のインクルードファイルblade_nodes_elements.incに置かれます。2つ目の解析で応力状態ファイルを直接使用するには、陰解法プレロードシミュレーションからの状態ファイル（*.sta）でblade_nodes_elements.incファイルを置き換えます。

状態ファイルを作成するには、以下のコマンドをRD-E：5501 ファンブレードの回転の初期設定からの1つ目のEngineファイルからプレロードステップの最後に追加し、陰解法プレロードシミュレーションを実行します。

# To save the full stress use these 3 STATE SHELL options
/STATE/SHELL/STRESS/FULL
/STATE/SHELL/AUX/FULL 
/STATE/SHELL/STRAIN/FULL        
# time to write state file and which part 
/STATE/DT
0.1 0.1
1

これで、雹の球氷のモデルと陰解法シミュレーションからの応力状態ファイルがフルシミュレーションに含まれました。ブレードの初期回転速度はEngineファイル（/INIV/AXIS/Z/1）に含まれますが、/INIVEL/AXISを使ってStarterにも追加できます。氷の衝突のシミュレーションは、0.08秒で実行されます。

入力ファイル

必要なモデルファイルのダウンロードについては、モデルファイルへのアクセスを参照してください。

モデル概要

4つのファンブレードが、簡易化されたケースの内側で定常状態の条件下、1000 RPMで回転しています。各ブレードのベースは、Z軸周りの回転を除いて全方向で拘束されている剛体に付加されています。回転するブレードが3.07 kgの2つの雹の球氷に衝突すると、ブレードが壊れ、ケースに衝撃を与えます。ブレードは一定板厚5mmのチタンでできているものと仮定します。ケースは板厚が変化するスチール製です。

単位： mm、s、Mg、N、 MPa

/MAT/PLAS_JOHNS、Johnson-Cook材料モデルとJohnson-Cook破壊モデルを用いた等方性弾塑性材料。 ¹

ブレードのチタン材料のプロパティ：
密度: $4.43 e - 9 \frac{M g}{m m^{3}}$
ヤング率: 113400 $[MPa]$
ポアソン比: 0.342
降伏応力: 1098 $[MPa]$
塑性硬化パラメータ: 1092 $[MPa]$
塑性硬化指数: 0.93

/FAIL/JOHNSON、 Johnson-Cook延性破壊モデル

破壊材料特性
D₁: -0.09
D₂: 0.25
D₃: -0.05
D₄: 0.014
I_{fail_sh}: 1; シェルは、シェル内の任意の積分点についてDamage > 1であれば削除されます。

ケースのスチール材料のプロパティ
密度: $7.9 e - 9 \frac{M g}{m m^{3}}$
ヤング率: 210000 $[MPa]$
ポアソン比: 0.3
降伏応力: 200 $[MPa]$
塑性硬化パラメータ: 450 $[MPa]$
塑性硬化指数: 0.5
最大応力: 425 $[MPa]$

/MAT/HYD_JCOOK、流体力学的Johnson-Cook材料を用いた等方性弾塑性材料

球氷の材料のプロパティ
密度: $9.167 e - 10 \frac{M g}{m m^{3}}$
ヤング率: 8304 $[MPa]$
ポアソン比: 0.2
降伏応力: 10.3 $[MPa]$

/EOS/POLYNOMIAL、多項式状態方程式

球氷の材料のプロパティ
塑性硬化パラメータ: 2500 $[MPa]$
塑性硬化指数: $C_{0} = C_{2} = C_{3} = C_{4} = C_{5} = 0$

境界条件：

ブレードの中央は、Rzを除いて全方向で拘束
強制回転速度 = 1000 = 104.72 $[\frac{rad}{s}]$
ケースのエッジは、X、Y、Z方向で完全に拘束されている

モデリング手法

本シミュレーションは、RD-E：5501 ファンブレードの回転の初期設定の結果をベースとしています。ブレードは、半径85 mm以下、重さ3.07 kgである２つの雹（ひょう）の衝撃を受けます。ブレード材料にJohnson-Cook破壊モデルが追加され、材料の破壊がどのようにモデル化されるかが示されます。Johnson-Cook破壊モデルは、応力の3軸性（正規化された平均応力）の関数として塑性破壊ひずみに関連します。詳細については、Radiossユーザーズガイド、/FAIL/JOHNSONおよび/FAIL/TAB1の材料をご参照ください。

結果

図 2はt=0.0におけるブレードの応力を示しており、状態ファイル内の初期プレロード応力はシミュレーションに正しく含まれていました。

まとめ

定常状態の回転からのブレード内の応力は、別のシミュレーションからの状態ファイルを含めることで正しく考慮されます。このため、ケースに設計変更が行われる度にプレロードシミュレーションを実行する必要がなくなり、時間が節減されます。Johnson-Cook破壊モデルは、雹の球氷との衝突に由来したブレードの材料破壊を説明します。

¹ Don Lesuer, Experimental Investigations of Material Models for Ti-6AL4V and 2024-T3, Lawrence Livermore National Laboratory, May 3, 1999