一种基于能量转化机制的单颗粒-靶板冲蚀形貌预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量转化机制的单颗粒

【技术实现步骤摘要】
contact between solids from elastoplastic loading
–
unloading hysteresis cycle[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2004：1911
–
1934.)，硬度较低的靶板在塑性变形过程中吸收了大量碰撞能量。当前模拟冲蚀过程的离散元接触计算模型，如线性弹簧阻尼接触模型、Hertz接触模型等，主要基于定常或非定常(Hertz)的纯弹性接触假说，与冲蚀物理过程中颗粒
‑
靶板间的接触刚度
‑
载荷的实际演化规律差距较大，继而导致现有离散元方法在冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间碰撞能量的仿真测量上存在严重失真。
[0007](2)预测方法缺乏对冲蚀过程中能量转化及能耗分配机制的详实数值表达。靶板磨损表面的单颗粒冲蚀形貌预测，需要依据单颗粒冲蚀过程中由形成磨屑的能量转化而来的磨损量而开展几何重构。在法向，靶板基体的磨损是以变形产生的温度效应为主要特征的低周疲劳损伤过程，靶板变形区所吸收法向变形能通过向热能转化的方式而产生局部应变的累积，继而导致磨屑的剥离。在切向，犁耕模式与断裂模式相互竞争，并且两种切向损伤模式在能量
‑
磨损量转化机制上存在区别。根据“尺寸效应”理论，犁耕消耗的能量与犁耕体积呈正相关，而断裂消耗的能量则与断裂面积呈正相关(Y.Ben
‑
Ami,A.Uzi,A.Levy.Modelling the particles impingement angle to produce maximum erosion[J].Powder Technology，2016，301：1032
–
1043.)。然而，当前的离散元仿真预测方法主要基于定常的能量转化系数直接估算单颗粒
‑
靶板冲蚀磨损平均体积，缺乏对冲蚀过程中能量转化及能耗分配机制的详实研究与数值表达，因而根本无法开展磨损形貌的几何重构，严重阻碍了离散元仿真在单颗粒
‑
靶板冲蚀磨损形貌预测中的应用和发展。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供了一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，能够解决现有离散元仿真技术无法有效预测靶板表面的单颗粒冲蚀磨损形貌的问题。
[0009]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0010]一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，所述仿真预测方法包括：
[0011]步骤S1，建立冲蚀过程接触力计算环节中单颗粒
‑
靶板间的法向、切向、滚动接触刚度表达式；
[0012]步骤S2，利用离散元方法仿真测量冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的法向、切向碰撞能量；
[0013]步骤S3，根据靶板吸收的法向、切向碰撞能量，分别计算单颗粒冲蚀过程中靶板因法向低周疲劳损伤而损失的法向冲蚀磨损体积、因耕犁
‑
断裂作用而损失的切向冲蚀磨损体积；
[0014]步骤S4，基于单颗粒冲蚀过程中靶板的法向、切向磨损体积，采用几何叠加方法，预测单颗粒
‑
靶板表面冲蚀磨损几何形貌。
[0015]如上所述的步骤S1中：
[0016]将冲蚀过程接触力计算环节中的所述颗粒假设为表面光滑的理想刚性球体；将靶板表面假设为材质可变形的粗糙表面，具有不同尺寸的可变形微凸体各向同性地分布于靶板接触面上，
[0017]在冲蚀过程接触力计算环节中，将单颗粒
‑
靶板间的法向接触刚度K
ns
表示为：
[0018][0019]其中，α为幂指数系数；β为常量系数；s≥1时，s为离散元仿真在当前时步的序列编号；为前一离散元仿真时步对应的颗粒
‑
靶板间的法向接触力；为初始接触刚度；s＝0时，s表示冲蚀过程中颗粒刚接触靶板表面时的序列编号，α的取值范围为0.5到1，
[0020]将切向接触刚度表示为：
[0021][0022]其中，C
M
表示为2(1
‑
ν)/(2
‑
ν)，C
M
取值在0至1之间；ν为两接触体的泊松比，
[0023]将滚动刚度表示为：
[0024][0025]其中，c
roll
为常量系数，r为颗粒半径，μ
roll
为滚动摩擦系数。
[0026]如上所述的步骤S2中：
[0027]将冲蚀过程中所述颗粒与所述靶板表面间的接触点P
c
定义为：
[0028][0029]其中，n为靶板表面的单位法向量，O为颗粒质点的位置矢量。
[0030]步骤S2.1，冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的法向碰撞能量E
n
由下式测得：
[0031][0032]其中，为单颗粒相对于靶板在接触点P
c
上的法向接触速度；为单颗粒相对于靶板表面的法向运动速度；s
T
为单颗粒
‑
靶板冲蚀过程离散元仿真的总时步数量，也可代表冲蚀颗粒恰好离开靶板的离散元仿真时步编号；
△
t为离散元仿真的时步长度；为靶板抵抗单颗粒冲蚀而产生的法向抵抗力，表示为：
[0033][0034]其中，为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板表面间的法向相对位移增量。
[0035]在接触点P
c
处，法向接触速度同法向运动速度相等，
[0036]步骤S2.2，冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的切向碰撞能量E
t
由下式测得：
[0037][0038]其中，为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的切向接触速度，
△
t为离散元仿真的时步长度，为冲蚀过程中颗粒的切向运动速度，为靶板抵抗单颗粒冲蚀而产生的切向作用
力，表示为：
[0039][0040]其中，为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板间的切向相对位移增量；μ
s
为颗粒
‑
靶板间的滑动摩擦系数，为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板间的切向相对位移。
[0041]为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的切向接触速度，表示为：
[0042][0043]其中，为冲蚀过程中颗粒的切向运动速度；ω
s
为冲蚀过程中颗粒相对于靶板的旋转速度，它表示为：
[0044][0045]其中，I为颗粒的转动惯量，M
s
为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的滚动阻尼，表示为：
[0046][0047]其中，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，其特征在于，所述仿真预测方法包括：步骤S1，建立冲蚀过程接触力计算环节中单颗粒
‑
靶板间的法向、切向、滚动接触刚度表达式；步骤S2，利用离散元方法仿真测量冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的法向、切向碰撞能量；步骤S3，根据靶板吸收的法向、切向碰撞能量，分别计算单颗粒冲蚀过程中靶板因法向低周疲劳损伤而损失的法向冲蚀磨损体积、因耕犁
‑
断裂作用而损失的切向冲蚀磨损体积；步骤S4，基于单颗粒冲蚀过程中靶板的法向、切向磨损体积，采用几何叠加方法，预测单颗粒
‑
靶板表面冲蚀磨损几何形貌。2.根据权利要求1所述的一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，其特征在于，所述的步骤S1中：将冲蚀过程接触力计算环节中的所述颗粒假设为表面光滑的理想刚性球体；将靶板表面假设为材质可变形的粗糙表面，具有不同尺寸的可变形微凸体各向同性地分布于靶板接触面上，在冲蚀过程接触力计算环节中，将单颗粒
‑
靶板间的法向接触刚度K
ns
表示为：其中，α为幂指数系数；β为常量系数；s≥1时，s为离散元仿真在当前时步的序列编号；|F
n(s
‑
1)
|为前一离散元仿真时步对应的颗粒
‑
靶板间的法向接触力；K
n0
为初始接触刚度；s＝0时，s表示冲蚀过程中颗粒刚接触靶板表面时的序列编号，α的取值范围为0.5到1，将切向接触刚度K
ts
表示为：其中，C
M
表示为2(1
‑
ν)/(2
‑
ν)，C
M
取值在0至1之间；ν为两接触体的泊松比，将滚动刚度K
rolls
表示为：其中，c
roll
为常量系数，r为颗粒半径，μ
roll
为滚动摩擦系数。3.根据权利要求2所述的一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，其特征在于，所述的步骤S2中：将冲蚀过程中所述颗粒与所述靶板表面间的接触点P
c
定义为：其中，n为靶板表面的单位法向量，O为颗粒质点的位置矢量。步骤S2.1，冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的法向碰撞能量E
n
由下式测得：其中，v
ns
为单颗粒相对于靶板在接触点P
c
上的法向接触速度；v
ys
为单颗粒相对于靶板
表面的法向运动速度；s
T
为单颗粒
‑
靶板冲蚀过程离散元仿真的总时步数量，也可代表冲蚀颗粒恰好离开靶板的离散元仿真时步编号；
△
t为离散元仿真的时步长度；F
ns
为靶板抵抗单颗粒冲蚀而产生的法向抵抗力，F
ns
表示为：其中，为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板表面间的法向相对位移增量。在接触点P
c
处，法向接触速度v
ns
同法向运动速度v
ys
相等，步骤S2.2，冲蚀过程中单颗粒
‑
靶板间的切向碰撞能量E
t
由下式测得：其中，v
ts
为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的切向接触速度，
△
t为离散元仿真的时步长度，v
xs
为冲蚀过程中颗粒的切向运动速度，F
ts
为靶板抵抗单颗粒冲蚀而产生的切向作用力，表示为：其中，
△
δ
ts
为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板间的切向相对位移增量；μ
s
为颗粒
‑
靶板间的滑动摩擦系数，为第s个离散元仿真时步中单颗粒
‑
靶板间的切向相对位移。v
ts
为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的切向接触速度，表示为：其中，v
xs
为冲蚀过程中颗粒的切向运动速度；ω
s
为冲蚀过程中颗粒相对于靶板的旋转速度，它表示为：其中，I为颗粒的转动惯量，M
s
为冲蚀过程中颗粒
‑
靶板间的滚动阻尼，表示为：其中，
△
γ
s
为第s个离散元仿真时步中单颗粒相对于靶板表面的转动角度增量，η
rolls
为滚动阻尼系数，γ
s
为第s个离散元仿真时步中单颗粒相对于靶板表面的转动角度，为γ
s
的导数，表征第s个离散元仿真时步中单颗粒相对于靶板表面的转动角速度，μ
roll
为滚动摩擦系数，K
rolls
为单颗粒
‑
靶板间的滚动刚度。4.根据权利要求1所述的一种基于能量转化机制的单颗粒
‑
靶板冲蚀形貌预测方法，其特征在于，所述的步骤S3中：
步骤S3.1，将冲蚀过程中靶板的能量
‑
磨损量转化系数假设为常量，基于能量磨损理论，靶板因法向低周疲劳损伤而损失的所述法向冲蚀磨损体积V
n
表示为：其中，p
n
为靶板产生法向变形时的屈服应力；c
n
为常量系数，步骤S3.2，在颗粒的切向冲蚀过程中，将靶板作用于颗粒上的切向屈服应力假设为常量，靶板因耕犁
‑
断裂作用而损失的切向冲蚀磨损体积V
t
表示为：其中，ξ
t
表示为p
t
为靶板产生切向变形时的屈服应力；R为靶板的断裂韧性；f为耕犁机制与断裂机制在切向冲蚀磨损过程中的相对贡献部分，取值范围在0到1之间；p
n
为靶板产生法向变形时的屈服应力；m为颗粒质量；θ为单颗粒冲蚀靶板的入射角；|v
in
|为单颗粒冲蚀靶板的初始入射速度大小；c
t
表示为：其中，c1为常量系数；c
Pl
和c
...

【专利技术属性】
技术研发人员：方自强，彭松林，张良，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：