一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，步骤为：(1)基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立待研究材料的位错演化模型，关联晶粒尺寸、位错密度与宏观应力应变；(2)获取强度模型参数，建立待研究材料的强度模型，关联强度与晶粒尺寸；(3)基于试验数据获取强度硬度关系中参数，建立待研究材料强度硬度关系，关联表面硬度与强度；(4)利用ABAQUS有限元软件的VUSDFLD子程序进行编程，基于位错演化模型、强度模型、强度硬度关系，建立表面硬度与宏观参量的联系，完成程序编写；(5)基于ABAQUS软件进行喷丸强化数值仿真，获取强化之后表层硬度分布。

【技术实现步骤摘要】
一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法
本专利技术是一种针对高能喷丸过程材料表面硬度的数值模拟方法，它是一种能够准确模拟出表层材料由于巨大塑性变形产生的表面硬度变化，属于航空航天发动机

技术介绍
高能喷丸过程中由于高速弹丸流喷射材料表面发生碰撞，改变表面形貌并产生可控的塑性变形。与普通喷丸强化工艺相比，高能喷丸过程弹丸能量更大，表面形貌更好，强化效果更为显著，在工业界尤其是航空发动机零部件上具有广阔的应用前景。一般来说高能喷丸引入的强化效果包括应力强化与组织强化两个方面，一方面材料表面引入的残余应力场可以有效降低服役环境下应力水平，另一方面材料表层微观组织由于巨大的塑性变形发生晶粒细化与位错增殖，提高材料抗疲劳性能。早期关于强化效果的研究往往聚焦于残余应力，随着研究的进展组织强化效果越发受到关注，表层晶粒纳米化被认为是重要的强化机制。表面硬度是材料表层微观组织的综合反映，其大小可有效反映出材料表层位错增殖程度，是进行高能喷丸研究过程中重要的关注点。因此需要发展一种高能喷丸过程材料表面硬度的数值模拟方法，有效模拟表面硬度的变化。目前关于表面硬度的研究都是通过实验测试的手段进行的，有效的高能喷丸所致的表面硬度模拟方法尚未见报导。因此本部分工作具有创新性。
技术实现思路
本专利技术技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种高能喷丸过程材料表面硬度的数值模拟方法，综合反映高能喷丸材料表面大塑性变形导致的硬度变化，实现材料表面硬度的准确预测，服务与支撑高能喷丸技术在工业结构上的应用与强化参数设计。本专利技术技术解决方案：一种高能喷丸过程材料表面硬度的数值模拟方法，基于位错演化理论实现高能喷丸强化过程表层晶粒尺寸变化的模拟，基于强度模型将晶粒尺寸的变化考虑到强度变化中，基于强度硬度关系建立硬度的表达式，实现高能喷丸过程材料表面硬度的数值模拟，实现步骤如下：第一步，基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立待研究材料的位错演化模型，关联晶粒尺寸、位错密度与宏观应力应变；开展高应变率下霍普金森压杆试验或者根据已经建立的待研究材料高应变率本构模型，例如J-C模型等，获取应力应变数据，通过拟合得到材料的位错演化模型参数，用以计算高能喷丸过程材料表层的晶粒细化；设置位错演化模型需要拟合的参数的初始值，代入位错演化模型中计算得到应力。然后将计算得到的高应变率下的应力结果与试验测定或者模型计算得到的结果进行对比，利用遗传算法将得到的结果误差减小到最小值，从而得到材料的位错演化模型参数；位错演化模型表达式如下：式中，ρc、ρw分别为位错胞内、胞壁中的位错密度；α*、β*、k0和n*分别为控制位错密度演化率的参数；b为伯氏矢量；分别为位错胞内、胞壁中的分切剪应变率，由于胞壁、胞内的边界需保证应变协调，通常认为这两个参量相同，即为工艺的参考分切剪应变率；d为晶粒尺寸；f为位错胞壁所占的体积分数，通常可通过透射电子显微镜试验检测获得。第二步，获取待研究材料强度模型表达式中或者材料参数。由于高能喷丸表层纳米晶的形成，材料强度与硬度关系出现反Hall-Petch现象，因此不能通过Hall-Petch建立强度与硬度的联系。拟通过分子动力学模拟或者显微检测手段，获取材料晶界厚度与晶粒尺寸的表达式，其表达式如下式所示：t＝kMA·D1/2式中，t为晶界厚度，D为晶粒尺寸，kMA为表征晶界厚度与晶粒尺寸关系的物理量。建立两者联系之后，通过微观观测或者试验数据拟合的方法，获得强度模型中的材料参数，建立材料强度与晶粒尺寸的联系，材料强度模型关系式如下：σy＝σfG+8(σfGB-σfG)kMAD-1/2-16(σfGB-σfG)kMA2D-1式中，σy为材料的强度，σfG为晶粒内强度，σfGB为晶界强度，D为晶粒尺寸，kMA为表征晶界厚度与晶粒尺寸关系的物理量。第三步，基于试验数据获取强度硬度关系中参数，建立待研究材料强度硬度关系，关联表面硬度与强度；其中强度硬度关系表达式如下：其中HV为维氏硬度，τ0为剪切模量，f为摩擦系数，θ为硬度测量中的旋转角度。第四步，利用ABAQUS有限元软件的VUSDFLD子程序进行编程，基于前述步骤建立的位错演化模型、强度模型、强度硬度关系，建立表面硬度与宏观参量的联系，完成程序编写。第五步，基于ABAQUS软件建立有限元模型进行喷丸强化数值仿真，利用已建立的位错演化模型、强度模型、强度硬度关系，获取强化之后表面硬度分布。根据实际构件几何形状完成高能喷丸强化靶材有限元模型构建，根据实际情况设置边界条件，采用适于高应变率变形过程下的本构模型J-C模型。根据所需要模拟的喷丸覆盖率，利用Avrami公式预估所需要弹丸的个数，利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程，给定弹丸生成位置并给定弹丸速度大小与方向，定义弹丸与靶材的接触。对靶材和弹丸进行网格划分，靶材边界设置成无限单元以控制应力场的稳定。计算时同时提交Fortran程序，完成常规计算的同时计算出表面硬度的变化。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术基于位错演化模型构建喷丸强化多尺度模拟方法，通过强度模型关联晶粒尺寸与强度，通过强度硬度关系关联硬度与强度，最终实现高能喷丸过程硬度的模拟，目前相关技术未见报道。现有喷丸强化模拟技术通常仅仅为了获得残余应力分布，关于硬度的研究主要是通过试验获得，本专利技术弥补了相关研究不足。附图说明图1为本专利技术的一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法实施流程；图2为本次举例的喷丸强化模拟有限元模型示意图；图3为本次举例的喷丸强化模拟的表面硬度分布示意图。具体实施方式下面结合附图，通过举例的方式，对本专利技术一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法的技术方案做进一步说明。本例子的研究材料为镍基高温合金GH4169。如图1所示，本专利技术具体实现过程如下：第一步，基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立待研究材料的位错演化模型，关联晶粒尺寸、位错密度与宏观应力应变；高应变率下应力应变数据可通过开展高应变率下霍普金森压杆试验或者根据已经建立的待研究材料高应变率本构模型，例如J-C模型等来获取。本例子以J-C模型为例。J-C模型是常用的描述高应变率下材料应力应变关系的本构模型，J-C模型的表达式为：式中，σeq为流动应力，A、B、C和m为材料常数，n是加工硬化系数，为标准化的有效塑性应变率，Tmelt为熔点，Tr为室温，Tr＝298K，ε为等效塑性应变，是参考应变率，取值为1。研究材料GH4169的J-C模型参数为A＝1241MPa，B＝622，C＝0.0134，m＝1.05，n＝0.6522。给定应变、应变率与温度项，可以得到材料的流动应力。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等技术对材料的晶粒尺寸与位错密度进行测量，将测量结果作为输入，根据位错胞内部位错密度的演化规律，如胞内、胞壁边界Frank-Read源产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：/n步骤(1)：基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立待研究材料的位错演化模型，关联应力应变与晶粒尺寸、位错密度；所述高应变率指材料变形过程的应变率与高能喷丸过程应变率相当；所述高应变率下应力应变数据指在上述高应变率过程中获得的应力应变数据对，通过高应变率下本构试验或者适用于高应变率的本构模型获得；所述位错演化模型参数是指基于位错理论建立的描述位错演化过程的模型中未知的材料参数；/n步骤(2)：获取强度模型参数，建立待研究材料的强度模型，关联强度与晶粒尺寸；所述强度模型参数是指基于强度模型中求解材料强度所需要的未知的材料参数；/n步骤(3)：基于试验数据获取强度硬度关系参数，建立待研究材料强度硬度关系，关联表面硬度与强度；所述试验数据是指待研究材料硬度测试数据；所述强度硬度关系参数是指强度硬度关系表达式中待求材料参数；/n步骤(4)：基于步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)建立的位错演化模型、强度模型、强度硬度关系，建立表面硬度与应力应变的联系；/n步骤(5)：进行喷丸强化数值仿真，利用步骤(4)建立的表面硬度与应力应变的联系，获取强化之后表层硬度分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤(1)：基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立待研究材料的位错演化模型，关联应力应变与晶粒尺寸、位错密度；所述高应变率指材料变形过程的应变率与高能喷丸过程应变率相当；所述高应变率下应力应变数据指在上述高应变率过程中获得的应力应变数据对，通过高应变率下本构试验或者适用于高应变率的本构模型获得；所述位错演化模型参数是指基于位错理论建立的描述位错演化过程的模型中未知的材料参数；
步骤(2)：获取强度模型参数，建立待研究材料的强度模型，关联强度与晶粒尺寸；所述强度模型参数是指基于强度模型中求解材料强度所需要的未知的材料参数；
步骤(3)：基于试验数据获取强度硬度关系参数，建立待研究材料强度硬度关系，关联表面硬度与强度；所述试验数据是指待研究材料硬度测试数据；所述强度硬度关系参数是指强度硬度关系表达式中待求材料参数；
步骤(4)：基于步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)建立的位错演化模型、强度模型、强度硬度关系，建立表面硬度与应力应变的联系；
步骤(5)：进行喷丸强化数值仿真，利用步骤(4)建立的表面硬度与应力应变的联系，获取强化之后表层硬度分布。


2.根据权利要求1所述的一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)还包括：
获取应力应变数据，通过拟合得到材料的位错演化模型参数，用以计算高能喷丸过程材料表层的晶粒细化；设置位错演化模型需要拟合的参数的初始值，代入位错演化模型中计算得到应力；然后将计算得到的高应变率下的应力结果与试验测定或者模型计算得到的结果进行对比，利用遗传算法将得到的结果误差减小到最小值，从而得到材料的位错演化模型参数。


3.根据权利要求2所述的一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，其特征在于：
所述位错演化模型表达式如下：






式中，ρc、ρw分别为位错胞内、胞壁中的位错密度；α*、β*、k0和n*分别为控制位错密度演化率的参数；b为伯氏矢量；分别为位错胞内、胞壁中的分切剪应变率，为工艺的参考分切剪应变率；d为晶粒尺寸；f为位错胞壁所占的体积分数，通过透射电子显微镜试验检测获得。


4.根据权利要求1所述的一种高能喷丸表面硬度数值模拟方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，通过分子动力学模拟或者显微检测手段，获取材料晶界厚度与晶粒尺寸的表达式，其表达式如下式所示：
t＝kMA...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣桥，胡殿印，田腾跃，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11