Development of a titanium alloy Ti-6Al-4V generalized yield surface material model used in LS-DYNA

This thesis is part of a collaborative effort involving George Mason University (GMU), Ohio State University (OSU), NASA Glenn Research Center(GRC), and the Federal Aviation Administration (FAA) under the Aircraft Catastrophic Failure Prevention Research Program (ACFPR). The primary objective of this research is to address the challenge of uncontained turbine engine failure by developing material models in LS-DYNA to support the FAA’s certification-by-analysis initiative. The focus of this work is the material characterization of Ti-6Al-4V, a material that represents the fragments impacting the engine casing in the event of turbine engine failure. This study aims to create a plasticity model and a failure surface using the *MAT_224_GYS material model. The constitutive model describes the plastic behavior of metals as a function of stress state, strain rate, and temperature. It employs an isotropic and isochoric generalized yield function , with stress-state-dependent hardening. The distortional hardening (stress-statedependent hardening) accounts for strain rate and thermal effects through tabulated input curves that define the yield dependence on strain rate and temperature. Additionally, the model incorporates adiabatic heating resulting from plastic deformation, leading to thermal softening effects. By improving the accuracy of material modeling, this research contributes to the reduction of costly physical testing in favor of simulations. The ability to replace expensive experimental tests with reliable simulations supports a more cost-effective and efficient approach to aerospace certification processes. This thesis documents the integration of experimental data into the LS-DYNA material model input, providing a robust foundation for future applications in turbine engine failure analysis and certification.

Questa tesi è parte di un progetto di ricerca collaborativo che coinvolge la George Mason University (GMU), l’Ohio State University (OSU), il NASA Glenn Research Center (GRC) e la Federal Aviation Administration (FAA), nell’ambito del programma Aircraft Catastrophic Failure Prevention Research Program (ACFPR). L’obiettivo principale di questa ricerca è affrontare il problema del guasto non contenuto dei motori a turbina, sviluppando dei modelli di materiale in LS-DYNA per supportare l’iniziativa della FAA di certificazione attraverso l’analisi. Il lavoro si concentra sulla caratterizzazione del materiale Ti-6Al-4V, un materiale utilizzato in ambito aeronautico e che rappresenta i frammenti che impattano il casing del motore a turbina in caso di guasto. Lo scopo di questo studio è la creazione di un modello di plasticità e di una superficie di rottura, utilizzando il modello *MAT_224_GYS. Il modello costitutivo descrive il comportamento plastico dei metalli in funzione dello stato di sforzo, della velocità di deformazione e della temperatura. Esso si basa su una funzione di snervamento generalizzata, isotropa e isocora, con un indurimento distorsionale. Vengono considerati gli effetti della velocità di deformazione e della temperatura mediante curve tabulate che definiscono la dipendenza del limite di snervamento da questi parametri. Inoltre, il modello include il riscaldamento adiabatico dovuto alla deformazione plastica, con conseguente riduzione della resistenza meccanica per effetti termici. Attraverso il miglioramento della modellazione del materiale, questa ricerca contribuisce a ridurre la necessità di costosi test sperimentali, privilegiando l’uso di simulazioni. La possibilità di sostituire i test sperimentali con simulazioni affidabili rappresenta un approccio più economico ed efficiente per i processi di certificazione aerospaziale. La tesi documenta inoltre l’integrazione dei dati sperimentali nel modello di materiale LSDYNA, offrendo una solida base per future applicazioni nell’analisi dei guasti dei motori a turbina e nei processi di certificazione.