一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，包括：1)构造Model，获取冲蚀材料的冲蚀特性参数；2)在Model中建立靶材Part，再对靶材进行网格划分，确定靶材的分析步；3)在Model中进行若干颗粒的参数化建模，并对所述颗粒进行网格划分；4)基于冲蚀材料的冲蚀特性参数，针对颗粒及靶材设定相互作用、载荷及边界条件，所述冲蚀材料包括颗粒及靶材；5)通过若干颗粒同时随机冲击靶材的表面；6)进行靶材表面的微观力学及形貌分析，该方法能够揭示固体颗粒冲蚀过程中材料的损伤破坏机理。机理。机理。

【技术实现步骤摘要】
一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法


[0001]本专利技术属于计算机辅助设计
，涉及一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法。

技术介绍

[0002]固体颗粒冲蚀磨损是指固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击，发生材料损耗的一种现象或过程，广泛存在于机械、冶金、能源、化工、航天等许多工业部门，是引起材料破坏或设备失效的一个重要原因。
[0003]颗粒的几何参数(尺寸、形状等)是影响材料冲蚀行为的重要因素。在一定颗粒尺寸范围内塑性材料的冲蚀率随颗粒粒度增加而上升，但当尺寸达到某一临界值时冲蚀率基本不变。尖角粒子冲击靶材产生较多切削和犁削，因而造成的冲蚀失重远大于球状粒子。此外，当颗粒尺寸较小时，靶材表面的亚微观结构，如表面粗糙度、已有的冲蚀沟槽等材料表面结构的变化会改变颗粒的撞击角度、位置以及靶材的局部力学性能，进而对颗粒的冲蚀行为产生显著影响。即便在同样冲击速度、角度等冲蚀条件下，颗粒几何参数的改变也会对材料表面产生完全不同的冲蚀损伤行为。总体而言，材料的冲蚀行为受颗粒几何参数、颗粒及靶材力学特性、冲蚀条件等的综合影响，其机理非常复杂。冲蚀实验常用于分析单一因素对材料冲蚀率的影响，很难对颗粒瞬态冲蚀过程材料损伤演化过程进行分析，因此在揭示冲蚀机理方面仍有欠缺。
[0004]随着计算机辅助技术的持续发展，基于有限元方法的非线性动力学数值模拟成为从微观层面研究材料冲蚀机理的主要手段。ElTobgy指出用单一颗粒冲击模拟无法准确计算材料的冲蚀率。Meguid等采用规则排列的球形颗粒建立了多次撞击模型，指出颗粒分离距离的减小导致材料表面残余应力和塑性变形区域分布更加均匀。Mohammadi、Khoddami等分别建立了连续球形颗粒冲击靶材同一位置的三维冲蚀模型，研究了冲击次数等冲击条件对材料冲蚀率的影响。Azimian、Takaffoli等建立了片状四边形颗粒的冲蚀模型，研究了冲击角度、颗粒形状尖角等对靶材冲蚀性能的影响。总结文献发现，当前文献中开展的固体颗粒对材料的冲蚀损伤模拟大多采用尺寸单一、几何形状规则的球形或片状四边形颗粒，而实际工业过程中参与冲蚀的颗粒往往呈现出形状不规则、颗粒尺寸分散度大且随机的特点。另外，当前模拟过程中通常假设多个颗粒冲击材料表面相同的位置，冲击次数为3～5次，这难以体现设备长期服役过程中颗粒冲蚀位置随机和冲击次数频繁的特点，因而无法有效揭示固体颗粒冲蚀过程中材料的损伤破坏机理。此外，研究颗粒几何参数及冲蚀条件等众多因素对靶材冲蚀特性的影响需要进行大量的重复性操作，这对通过有限元数值模拟方法研究颗粒对材料的冲蚀损伤机理提出了更大的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，该方法能够揭示固体颗粒冲蚀过程中材料的损伤破坏机理。
[0006]为达到上述目的，本专利技术所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法包括：
[0007]1)构造Model，获取冲蚀材料的冲蚀特性参数；
[0008]2)在Model中建立靶材Part，再对靶材进行网格划分，确定靶材的分析步；
[0009]3)在Model中进行若干颗粒的参数化建模，并对所述颗粒进行网格划分；
[0010]4)基于冲蚀材料的冲蚀特性参数，针对颗粒及靶材设定相互作用、载荷及边界条件，所述冲蚀材料包括颗粒及靶材；
[0011]5)通过若干颗粒同时随机冲击靶材的表面；
[0012]6)进行靶材表面的微观力学及形貌分析。
[0013]步骤1)的具体过程为：
[0014]采用交互式输入方法，设定冲击速度及角度、循环撞击次数、一次冲击颗粒的数目N1以及颗粒的粒径范围，采用构造函数的方法构造Model，存储颗粒的机械性能参数；
[0015]靶材采用Johnson
‑
Cook材料损伤模型来描述材料冲蚀过程中的流动应力行为；采用应变累积失效作为材料的失效模型，模拟冲蚀过程中的材料去除。
[0016]Johnson
‑
Cook材料损伤模型的Johnson
‑
Cook损伤参数D为：
[0017][0018]其中，为等效塑性应变增量，为破坏应变。
[0019]步骤2)中在Model中建立靶材Part，再对靶材进行网格划分的具体过程为：
[0020]基于ABAQUS软件平台进行材料冲蚀的有限元模拟，使用Python脚本语句将靶材的特征尺寸与颗粒的特征尺寸相关联，建立靶材三维几何模型，并对所述靶材三维几何模型进行网格离散化，通过颗粒的投影面积及数目确定靶材的长度及宽度。
[0021]步骤2)中确定靶材的分析步的具体过程为：
[0022]采用ABAQUS/Explicit求解器进行求解，创建显示动力学分析步Step
‑
1，根据Hertz接触理论计算接触时间并确定分析步长度。
[0023]所述分析步长度t
timp
为：
[0024][0025]k
eq
＝K0ED
1/2
b
max1/2
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026][0027]其中，m为颗粒的质量，V0为颗粒撞击靶材表面的瞬时速度，K0为常数，E为靶材的杨氏模量，D为刚性颗粒的直径，R为刚性颗粒的半径，ρ为颗粒密度，k
eq
为颗粒的线性刚度，b为压痕深度。
[0028]步骤3)的具体过程为：
[0029]根据服役环境，确定参与冲蚀的颗粒的几何特征参数，所述几何特征参数包括颗
粒尺寸分布及形状，典型冲蚀颗粒形状包括片状、多面体形及球形；
[0030]当冲蚀物为片状颗粒时，则执行Sa方法进行片状颗粒的参数化建模；当冲蚀物为球形颗粒时，则执行Sb参数化建模方案；当冲蚀物为多面体颗粒时，则执行Sc参数化建模方案。
[0031]步骤4)中的边界条件为：
[0032]在分析步Step
‑
1中定义速度的大小及方向，通过控制两个分速度之间的关系，根据公式(6)及式(7)控制冲击角度、速度及冲击角度的关系，从第二次冲击开始，导入靶材的上一次冲击结束的应力及变形作为本次冲击的初始状态，施加约束靶材的底端所有自由度的边界条件；
[0033]v
x
＝vcosθ
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]v
y
＝vsinθ
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035]其中，v
x
为切向速度分量，v
y
为法向速度分量，v为冲击速度，θ为冲击角度。
[0036]步骤6)的具体过程为：
[0037]提取每个循环冲击载荷下靶材表面的应力场、能量场、微观形貌及质量损失的参数，分析固体颗粒长期连续冲蚀过程中靶材表面损伤演化过程，以揭示材料微观冲蚀损伤机理。
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，包括：1)构造Model，获取冲蚀材料的冲蚀特性参数；2)在Model中建立靶材Part，再对靶材进行网格划分，确定靶材的分析步；3)在Model中进行若干颗粒的参数化建模，并对所述颗粒进行网格划分；4)基于冲蚀材料的冲蚀特性参数，针对颗粒及靶材设定相互作用、载荷及边界条件，所述冲蚀材料包括颗粒及靶材；5)通过若干颗粒同时随机冲击靶材的表面；6)进行靶材表面的微观力学及形貌分析。2.根据权利要求1所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，步骤1)的具体过程为：采用交互式输入方法，设定冲击速度及角度、循环撞击次数、一次冲击颗粒的数目N1以及颗粒的粒径范围，采用构造函数的方法构造Model，存储颗粒的机械性能参数；靶材采用Johnson
‑
Cook材料损伤模型来描述材料冲蚀过程中的流动应力行为；采用应变累积失效作为材料的失效模型，模拟冲蚀过程中的材料去除。3.根据权利要求2所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，Johnson
‑
Cook材料损伤模型的Johnson
‑
Cook损伤参数D为：其中，为等效塑性应变增量，为破坏应变。4.根据权利要求2所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，步骤2)中在Model中建立靶材Part，再对靶材进行网格划分的具体过程为：基于ABAQUS软件平台进行材料冲蚀的有限元模拟，使用Python脚本语句将靶材的特征尺寸与颗粒的特征尺寸相关联，建立靶材三维几何模型，并对所述靶材三维几何模型进行网格离散化，通过颗粒的投影面积及数目确定靶材的长度及宽度。5.根据权利要求2所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，步骤2)中确定靶材的分析步的具体过程为：采用ABAQUS/Explicit求解器进行求解，创建显示动力学分析步Step
‑
1，根据Hertz接触理论计算接触时间并确定分析步长度。6.根据权利要求5所述的固体颗粒冲击材料冲蚀损伤演化的预测方法，其特征在于，所述分析步长度t
timp
为：k
eq
＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡柳溪，侯燕芳，姚佳伟，李云，王顺森，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：