【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及先进制造领域，特别是涉及一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法。
技术介绍
1、热等静压(hot isostatic pressing,hip)近净成形以金属粉末为原材料，结合数值模拟和模具(含包套与型芯)设计，通过高温高压实现粉末材料快速致密与零件成形，是粉末冶金领域前沿与热点方向。热等静压成形零件过程涉及数值模拟和模具设计、粉末填装、热等静压和模具去除。热等静压成形的产品微观组织细小、无成分偏析，致密度高，因而具备锻件相当的优异综合力学性能，被广泛用于航空航天、能源动力和海洋开发等重要领域。
2、尽管热等静压成形技术已在高性能制造领域获得了一定应用，但热等静压成形过程极为复杂，如：(1)零件成形是在热-力耦合场作用下粉末发生颗粒重排、塑性变形和扩散蠕变中完成，整个过程包套发生30％以上的体积收缩；(2)由于包套和粉末间存在“应力屏蔽”效应，内部型芯与粉体材料热物性差异大，以及包套内粉末分布的不均匀，均会导致零件整体不均匀的收缩变形和局部“角效应”。因此，仅凭传统的“经验法”和“试错法”进行包套和型芯的设计，会导致加工成本高昂、研发周期长，且无法满足热等静压零件向大型化、复杂化和高精化的发展需求。
3、数值模拟可实现零件的变形预测，指导包套和型芯的设计，减少原材料的浪费和包套/型芯模型优化的迭代次数，同时实现包套内部粉末颗粒致密化过程的可视化，有助于深入揭示热等静压中粉末致密化与变形机制，完善控形理论和工艺优化。
4、现有的热等静压变形模拟都基于有限元法(finite el
5、目前，有限元模拟是预测热等静压零件变形的主要技术手段，对于简单圆柱件的预测精度可以控制在2％左右。但是对于复杂零件(如具有复杂结构的薄壁零件、发动机叶片和机匣等)的预测精度不高，其主要原因之一在于热等静压前复杂零件内部型腔的粉末分布不均匀，导致零件的收缩难以通过fem精准的预测。传统的fem中假定压坯是密度分布均匀的宏观连续多孔材料，但由于型腔结构的阻力、填粉口设计和振粉工艺的影响，粉末不能均匀流动到型腔的所有部位，导致了内部粉末的不均匀，并最终导致零件整体的不均匀收缩。因此，亟需优化传统的fem模拟方法，尝试在fem模型中还原粉体不均匀的相对密度，从而提升形变预测精度。
6、离散元法(discrete element method,dem)可直观反应颗粒之间的运动和相对位置信息。其基本思路是对离散态的颗粒单独建模，通过经典的牛顿定律确定每个颗粒的运动情况，最后耦合叠加所有颗粒得到整个体系的运动变形情况，可用于粉末填充阶段的模拟仿真并获得粉末初始密度分布。根据dem模拟结果还可以直接观测到每个颗粒所在的位置、颗粒大小等信息，从而得到粉末在包套内部不同位置的具体分布信息。
7、初始密度填充的不均匀是部件各向异性收缩的一个重要原因，因此本专利提出针对零件变形预测的dem-fem耦合模拟方法，在fem中结合初始密度分布从而更加接近热等静压实际工况。根据粉末填充工艺，利用dem获得热等静压前包套内的粉末的位置和分布，将密度分布结果耦合到fem中预测零件的形变和致密化过程，提升零件变形的预测精度。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法。通过dem模拟获得粉末颗粒在hip前包套内的分布状态，如粉末颗粒位置、半径等信息，基于图像处理技术分区获取相对密度数据，并作为fem模拟的输入参数，实现dem-fem耦合模拟。
2、一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，包括如下步骤：s1、建立包含粉末颗粒间接触关系和包套几何结构的dem模型；s2、dem软件中模拟目标件粉末颗粒的填充过程和堆积状态；s3、对粉末颗粒分布图像进行处理，获取粉末颗粒相对密度数据；s4、建立fem模型，并将dem模拟结果的密度数据和fem模型耦合。
3、本申请公开了一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，是一种结合离散元方法与有限元方法的热等静压零件形变预测技术。首先，采用dem软件(如pfc、edem等)构建模型，模拟粉末颗粒的填充与接触行为，并根据粉末颗粒的材料特性调整粉末颗粒间的摩擦、阻尼和能量耗散参数，以提高模拟精度。然后利用c++和opencv处理函数，对dem生成的图像进行处理，提取粉末颗粒的相对位置和密度信息。通过python脚本将这些数据与fem平台模型(如msc.marc、abaqus等)中的网格单元进行耦合，实现数据的高效处理和批量赋值。此技术方案允许在fem分析中考虑初始密度分布，从而精确预测零件的变形行为。这一方法有效提高了粉末颗粒材料填充和变形过程模拟的准确性，为工程领域相关研究提供了一种创新方法。
4、上述任一技术方案中，所述步骤s1中，所述建立包含粉末颗粒间接触关系和包套几何结构的dem模型的步骤如下：s11、根据选用的粉末颗粒材料设定dem模型的粉末颗粒参数、材料参数和接触模型；s12、设置验证实验，模拟dem模拟中粉末颗粒填充包套的过程，验证dem模型是否符合实际情况；s13、基于验证实验的结果优化dem模型的参数。
5、通过根据选用的粉末颗粒材料设定dem模型的粉末颗粒参数(摩擦系数、阻尼系数和能量耗散系数等)、材料参数(粒径分布、泊松比和弹性模量等)和接触模型(线性接触模型、hertz-mindlin等)。设置验证实验，模拟dem模型的模拟过程，确保实验设置与dem模拟的条件紧密相符，验证dem模型的模拟是否符合实际情况，最后基于验证实验的实验结果优化dem模型的参数，使dem模型更符合实际情况，提高后续模拟的精确度。
6、上述任一技术方案中，所述步骤12中，所述设置验证实验，模拟dem模型模拟中粉末颗粒填充包套的过程，验证dem模型是否符合实际情况的具体步骤如下：制造一个圆柱形外壳，其内腔尺寸与dem模型中的包套尺寸一致；将圆柱形外壳一分为二，将透明的亚克力板粘贴到切割面上，制成了一个专为摄影观察设计的外壳；在粉末颗粒下落过程中观测粉末颗粒堆积休止角，并和dem模拟得到的粉末颗粒堆积角度相比较，如果二者近似，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述建立包含粉末颗粒间接触关系和包套几何结构的DEM模型的步骤如下：
3.根据权利要求2所述的适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，所述步骤12中，所述设置验证实验，模拟DEM模拟中粉末颗粒填充包套的过程，验证DEM模型是否符合实际情况的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述DEM软件中模拟目标件粉末颗粒的填充过程和堆积状态的步骤如下：
5.根据权利要求4所述的适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，所述实验参数为粉末颗粒材料的理论参数，所述实验参数包括密度、泊松比、粒径和杨氏模量。
6.根据权利要求1所述的一种适用于热等静压零件变形的高精度预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述对粉末颗粒分布图像进行处理，获取粉末颗粒相对密度数据的步骤如下：
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