[發(fā)明專利]一種熱損傷邊界元測定方法、系統(tǒng)、介質(zhì)、設(shè)備、終端

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110262972.8
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN112926213A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝貴重;耿宏瑞;鐘玉東;鄔昌軍;杜文遼;李浩;李客;王良文;劉林;董云橋;王滔;張世欣
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F111/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 包曉靜

本發(fā)明屬于特種鋼加工技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種熱損傷邊界元測定方法、系統(tǒng)、介質(zhì)、設(shè)備、終端，用于特種鋼制造過程中由于熱處理工藝導致的結(jié)構(gòu)疲勞斷裂破壞過程分析。將在已有邊界元法的成果基礎(chǔ)上，以特種鋼結(jié)構(gòu)中溫度、位移、應變、應力場分布及裂紋問題作為對象，充分利用邊界元法相對于有限元法的高精度優(yōu)勢，對近奇異積分、奇異積分和超奇異積分算法、單位分解法、加強函數(shù)和NURBS算法等關(guān)鍵性理論和算法進行系統(tǒng)深入研究。本發(fā)明能準確地獲得特種鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋附近精確的位移、應力場以及相應的斷裂力學性能參數(shù)、揭示特種鋼成型過程中的缺陷產(chǎn)生機理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于特種鋼加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱損傷邊界元測定方法、系統(tǒng)、介質(zhì)、設(shè)備、終端。

背景技術(shù)

目前，在特種鋼毛坯制造成型過程中，常采用淬火、回火等熱處理工藝以提升表面硬度。而在反復加熱、淬火、回火的過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均勻?qū)е聼釕Γ跓釕Φ淖饔孟拢∪跆幦菀酌壬鸭y，裂紋在結(jié)構(gòu)反復受熱冷卻的循環(huán)熱載荷下將進一步演化擴展，最終導致結(jié)構(gòu)的破壞。當然，交變熱載荷下裂紋的產(chǎn)生是必然的，而裂紋的大小和規(guī)模卻對特種鋼結(jié)構(gòu)的使用性能有極大影響。因此，有必要對這些特種鋼結(jié)構(gòu)在淬火回火熱處理工況下的裂紋擴展水平進行準確分析計算，進而指導優(yōu)化熱處理工藝，提高成品率。

要分析裂紋擴展，準確計算裂紋尖端附近的應力場分布極其關(guān)鍵。當前結(jié)構(gòu)分析軟件以有限單元法(FEM)為主，F(xiàn)EM對物理量的模擬主要采用常規(guī)的實體單元，因此，常規(guī)有限元方法需要在裂紋附近使用極其密集的網(wǎng)格，才能保證裂紋附近的裂尖張開位移(COD)和應力強度因子(SIF)的計算精度。密集網(wǎng)格的需求對網(wǎng)格劃分帶來了極大困難，另一方面也極大提高了計算規(guī)模，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部多處已萌生微裂紋時，有限元網(wǎng)格劃分將變得極其困難更無法做到自動劃分。為解決這一難題，有限元方法國際權(quán)威T.Belyschko在傳統(tǒng)基于單元的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種擴展有限元(X-FEM)技術(shù)，專門用于分析裂紋擴展問題。在X-FEM中，通過引入加強單元(EE)即在單元的形函數(shù)中引入階躍函數(shù)項，用于模擬單元內(nèi)部裂紋兩側(cè)位移場的不連續(xù)性；同時，將裂紋擴展控制在單元內(nèi)部，單元之間的裂紋互不影響，使得計算變得高效。然而，X-FEM中EE的引入也使有限元方程組的系數(shù)矩陣性態(tài)變差，條件數(shù)變大，數(shù)值求解的穩(wěn)定性成為新的挑戰(zhàn)。邊界元法(BEM)是一種半解析的數(shù)值方法，利用BEM求解的面力和位移具有同階精度的優(yōu)勢，可提高結(jié)構(gòu)熱應變、應力計算精度。因此BEM在結(jié)構(gòu)熱應變、應力場分析中具有很大的優(yōu)勢。BEM基本解的奇異性質(zhì)，更適合用于結(jié)構(gòu)熱力耦合疲勞斷裂破壞過程中裂紋問題這類應力奇異性問題。

然而，中外學者們的基本上都只關(guān)注特種鋼成型之后的殘余應力或者工作狀態(tài)下的溫度分布，或者是單純用BEM來分析結(jié)構(gòu)裂紋問題，很少涉及到特種鋼在制造過程中反復淬火回火工況下內(nèi)部裂紋發(fā)展分析，這主要歸結(jié)于以下原因：(1)當鑄鍛件毛坯含裂紋或者缺陷時，需要處理熱力耦合下雙邊界積分方程中的奇異積分、超奇異積分和近超奇異積分。而處理奇異積分、超奇異積分和近奇異積分在數(shù)學和算法實現(xiàn)上相當困難，奇異積分、超奇異積分和近奇異積分的計算精度直接影響B(tài)EM分析特種鋼結(jié)構(gòu)溫度、應變、應力精度以及相應的斷裂力學性能參數(shù)，進而影響對其疲勞斷裂破壞過程的分析。(2)裂紋尖端附近屬于高梯度應力區(qū)(應力奇異性)，需要使用一些能反映應力奇異性的特殊單元提高應力強度因子計算精度提高特種鋼結(jié)構(gòu)疲勞斷裂破壞過程的準確性。此外，由于裂紋形狀的特殊性，特別是非貫穿型裂紋，離散時候需要使用多種形狀的網(wǎng)格(三角形、四邊形網(wǎng)格)，需要在常規(guī)的單元形函數(shù)中加入能反映奇異性的項。而高品質(zhì)的三角形裂尖單元有待開發(fā)。(3)對于刀具結(jié)構(gòu)在反復淬火回火下疲勞斷裂破壞過程中的裂紋擴展問題，無論有限元法、擴展有限元法還是邊界元法，使用三角形單元或者四邊形單元來離散疲勞斷裂過程中的裂紋面，都是保持C0連續(xù)，這在模擬裂紋前沿下一步擴展時候，得到的都是裂紋前沿一些線性分段，在實際計算中難以精確捕捉到裂紋前沿，導致下一步的應力強度因子計算精度不高，隨著裂紋擴展誤差會進一步累積導致模擬失真。此外，難以構(gòu)建裂紋前沿的局部坐標系，得到裂紋擴展過程中的偏轉(zhuǎn)角度是不連續(xù)的，導致難以分析這類特種鋼結(jié)構(gòu)疲勞斷裂破壞過程中的多裂紋交叉問題。