一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端技术方案

本发明专利技术属于特种钢加工技术领域，公开了一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端，用于特种钢制造过程中由于热处理工艺导致的结构疲劳断裂破坏过程分析。将在已有边界元法的成果基础上，以特种钢结构中温度、位移、应变、应力场分布及裂纹问题作为对象，充分利用边界元法相对于有限元法的高精度优势，对近奇异积分、奇异积分和超奇异积分算法、单位分解法、加强函数和NURBS算法等关键性理论和算法进行系统深入研究。本发明专利技术能准确地获得特种钢结构内部裂纹附近精确的位移、应力场以及相应的断裂力学性能参数、揭示特种钢成型过程中的缺陷产生机理。缺陷产生机理。缺陷产生机理。

【技术实现步骤摘要】
一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端


[0001]本专利技术属于特种钢加工
，尤其涉及一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端。

技术介绍

[0002]目前，在特种钢毛坯制造成型过程中，常采用淬火、回火等热处理工艺以提升表面硬度。而在反复加热、淬火、回火的过程中结构内部温度分布不均匀导致热应力，在热应力的作用下，薄弱处容易萌生裂纹，裂纹在结构反复受热冷却的循环热载荷下将进一步演化扩展，最终导致结构的破坏。当然，交变热载荷下裂纹的产生是必然的，而裂纹的大小和规模却对特种钢结构的使用性能有极大影响。因此，有必要对这些特种钢结构在淬火回火热处理工况下的裂纹扩展水平进行准确分析计算，进而指导优化热处理工艺，提高成品率。
[0003]要分析裂纹扩展，准确计算裂纹尖端附近的应力场分布极其关键。当前结构分析软件以有限单元法(FEM)为主，FEM对物理量的模拟主要采用常规的实体单元，因此，常规有限元方法需要在裂纹附近使用极其密集的网格，才能保证裂纹附近的裂尖张开位移(COD)和应力强度因子(SIF)的计算精度。密集网格的需求对网格划分带来了极大困难，另一方面也极大提高了计算规模，在结构内部多处已萌生微裂纹时，有限元网格划分将变得极其困难更无法做到自动划分。为解决这一难题，有限元方法国际权威T.Belyschko在传统基于单元的基础上发展了一种扩展有限元(X
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FEM)技术，专门用于分析裂纹扩展问题。在X
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FEM中，通过引入加强单元(EE)即在单元的形函数中引入阶跃函数项，用于模拟单元内部裂纹两侧位移场的不连续性；同时，将裂纹扩展控制在单元内部，单元之间的裂纹互不影响，使得计算变得高效。然而，X
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FEM中EE的引入也使有限元方程组的系数矩阵性态变差，条件数变大，数值求解的稳定性成为新的挑战。边界元法(BEM)是一种半解析的数值方法，利用BEM求解的面力和位移具有同阶精度的优势，可提高结构热应变、应力计算精度。因此BEM在结构热应变、应力场分析中具有很大的优势。BEM基本解的奇异性质，更适合用于结构热力耦合疲劳断裂破坏过程中裂纹问题这类应力奇异性问题。
[0004]然而，中外学者们的基本上都只关注特种钢成型之后的残余应力或者工作状态下的温度分布，或者是单纯用BEM来分析结构裂纹问题，很少涉及到特种钢在制造过程中反复淬火回火工况下内部裂纹发展分析，这主要归结于以下原因：(1)当铸锻件毛坯含裂纹或者缺陷时，需要处理热力耦合下双边界积分方程中的奇异积分、超奇异积分和近超奇异积分。而处理奇异积分、超奇异积分和近奇异积分在数学和算法实现上相当困难，奇异积分、超奇异积分和近奇异积分的计算精度直接影响BEM分析特种钢结构温度、应变、应力精度以及相应的断裂力学性能参数，进而影响对其疲劳断裂破坏过程的分析。(2)裂纹尖端附近属于高梯度应力区(应力奇异性)，需要使用一些能反映应力奇异性的特殊单元提高应力强度因子计算精度提高特种钢结构疲劳断裂破坏过程的准确性。此外，由于裂纹形状的特殊性，特别是非贯穿型裂纹，离散时候需要使用多种形状的网格(三角形、四边形网格)，需要在常规的单元形函数中加入能反映奇异性的项。而高品质的三角形裂尖单元有待开发。(3)对于刀具
结构在反复淬火回火下疲劳断裂破坏过程中的裂纹扩展问题，无论有限元法、扩展有限元法还是边界元法，使用三角形单元或者四边形单元来离散疲劳断裂过程中的裂纹面，都是保持C0连续，这在模拟裂纹前沿下一步扩展时候，得到的都是裂纹前沿一些线性分段，在实际计算中难以精确捕捉到裂纹前沿，导致下一步的应力强度因子计算精度不高，随着裂纹扩展误差会进一步累积导致模拟失真。此外，难以构建裂纹前沿的局部坐标系，得到裂纹扩展过程中的偏转角度是不连续的，导致难以分析这类特种钢结构疲劳断裂破坏过程中的多裂纹交叉问题。
[0005]虽然BEM在该领域的应用困难重重，然而值得注意是，近年来一些关键性取得了一系列重要进展。具体表现在：第一，奇异积分、超奇异积分和近奇异积分算法不断完善。精确处理奇异积分、超奇异积分和近奇异积分后，BEM已经可以基于三维实体结构的疲劳断裂破坏过程，不需要引入板壳理论等变形假设。当然，目前的奇异积分、超奇异积分和近奇异积分算法还存在一些问题，如各种近奇异积分非线性变换过度依赖于投影点的位置，投影点的计算精度严重影响近奇异积分的计算精度；解析方法和半解析方法难以在曲面上实施；间接方法计算角点和应力集中区域的效果较差；单元子分法会导致运算量过大；对于微裂纹区域与基体单元尺寸相差较大，这些单元上近奇异积分的计算精度也会受到重要影响；此外，分析裂纹问题时，裂纹面上还有奇异积分、超奇异积分以及近超奇异积分，这些单元的形状也会影响奇异积分、超奇异积分和近超奇异积分的计算精度。在这些方法中，非线性变换是一种解决近奇异积分的理想方法。本本专利技术致力于减少各种近奇异积分非线性变换对投影点位置的依赖性，并克服奇异积分、超奇异积分和近奇异积分的网格尺寸效应。
[0006]第二，反映裂尖位移、高梯度应力场特殊单元的提出。但是，当前的强化单元或者裂纹前沿单元只适合特定形状、特定位置的裂纹。因为随着裂纹的扩展，位移、裂尖应力奇异区域也随之扩展，而这类特殊单元限制了扩展区域的尺寸，难以反映真实的裂纹扩展尺度。对于具有复杂几何形状的裂纹和多裂纹交叉问题，这类单元更难以准确模拟。裂纹问题是一个强不连续问题(裂纹两侧位移不连续)。
[0007]解决裂纹问题，首先就是要能捕捉到裂纹尖端的位移、应力奇异性。基于单位分解法，在常规单元形函数中增加能反映不连续性存在的加强函数(反映裂尖主要的奇异项和可能位移状态)函数的思想可以被借鉴，本本专利技术将从裂纹尖端应力渐进性质出发，利用单位分解法和加强函数思想，构造能反映热裂纹尖端位移、应力奇异性以及强不连续性的形函数和热裂尖单元，并与热力耦合双边界元法结合，建立新的求解格式，通用并方便地分析裂纹扩展问题。
[0008]第三，非均匀有理B样条(NURBS)算法的提出和不断改进。使用NURBS参数曲面来模拟裂纹新扩展区域，就可以基于NURBS曲面片得到裂纹扩展前沿，构造裂尖应力奇异单元，自然建立裂纹前沿的局部坐标系，提高下一步裂纹前沿应力强度因子求解精度，可以保持裂纹扩展角的连续性，解决多裂纹交叉扩展难题，精确模拟特种钢结构疲劳断裂破坏的过程。
[0009]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0010](1)现有技术中奇异积分、超奇异积分和近奇异积分技术存在一些问题如下，各种近奇异积分非线性变换过度依赖于投影点的位置，投影点的计算精度严重影响近奇异积分的计算精度；解析方法和半解析方法难以在曲面上实施；间接方法计算角点和应力集中区
域的效果较差；单元子分法会导致运算量过大；对于微裂纹区域与基体单元尺寸相差较大，这些单元上近奇异积分的计算精度也会受到重要影响；此外，分析裂纹问题时，裂纹面上还有奇异积分、超奇异积分以及近超奇异积分，这些单元的形状也会影响奇异积分、超奇异积分和近超奇异积分的计算精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述热损伤边界元测定方法包括：基于热传导、弹性力学边界元法，考虑热力耦合边界条件，加入裂尖奇异单元和近奇异积分算法，得到求解特种钢结构关键部位的热力耦合边界元法，预测裂纹萌生；裂纹萌生后，加入近奇异积分算法和超奇异积分算法以及基于单位分解法和加强函数思想的裂尖奇异单元，实现热力耦合双边界元法，求解裂纹附近精确的位移、热应力、应变以及应力强度因子；加入裂纹扩展判据，判断裂纹是否扩展；利用NURBS表征新扩展的裂纹面和裂纹前沿，基于NURBS形函数构造裂尖奇异单元，并在双边界元法框架内数值实现，求解位移、热应力、应变场，建立裂纹尖端局部坐标系；运用J积分和M积分，获得裂纹尖端应力强度因子，判断裂纹是否扩展，计算裂纹扩展角和扩展量，使用增量双边界元法求解；通过与解析解、数值解以及相应的试验结果对比。2.如权利要求1所述的热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述热力耦合下特种钢结构裂纹边界元确定方法，包括：采用热力耦合下的双边界积分方程，结合基于单位分解法、加强函数推导的热裂纹裂尖奇异单元，形成热力耦合下的双边界积分方程求解新格式，并进行数值实施。3.如权利要求2所述的热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述热裂纹裂尖奇异单元使用水平集法等识别和确定，制定相应的积分准则，积分分块和积分点控制准则，使用J积分或者M积分来求解应力强度因子，使用能量释放率准则或者应变能密度因子准则来获得裂纹扩展方向。4.如权利要求2所述的热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述使用热力耦合双边界积分方程时，裂纹面上产生奇异积分和超奇异积分，利用根据源点位置的积分分块和局部极坐标近似展开为核心的奇异值分解技术；在采用奇异值分解的同时，使用保形变换。5.如权利要求1所述的热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述特种钢结构热应力精确计算，具体过程为：在已有热问题、弹性力学边界元程序基础上，针对焊缝过渡区及裂纹等关键区域，采取热力耦合边界积分方程公式进行数值实施，并考虑该区域应力集中，构造相应的裂纹尖，改进的距离变换和指数变换和保形变换；根据投影点在积分单元的位置对积分单元进行合理的分块，制定积分点分布控制准则，在积分点个数和积分精度之间取得一个平衡；所述对于奇异积分，根据源点位置采用积分分块、局部坐标变换技术和保形变换。6.如权利要求1所述的热损伤边界元测定方法，其特征在于，所述特种钢结构疲劳裂纹扩展过程的模拟，具体为：推导NURBS与热力耦合下的双边界积分方程的结合新格式，使用能量释放率准则或者应变能密度因子准则判断裂纹是否扩展，获得裂纹扩展方向；使用NURBS表征扩展后新裂纹面和裂纹前沿，根据裂尖奇异性质构造NURBS基函数下的裂尖单元，建立裂尖局部坐标系，使用J积分或者M积分来求解应力强度因子；从裂纹前沿上取一系列取样点，使用NURBS曲面拟合新得到裂纹扩展面，离散，采用增量边界元法进行迭代求解，实现对裂纹扩展过程的模拟，使用Pairs公式预测特种钢结构寿命。7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢贵重，耿宏瑞，钟玉东，邬昌军，杜文辽，李浩，李客，王良文，刘林，董云桥，王滔，张世欣，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：