[發(fā)明專利]一種固體顆粒沖擊材料沖蝕損傷演化的預(yù)測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310274190.5
• 申請(qǐng)日: 2023-03-20
• 公開（公告）號(hào): CN116306145A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡柳溪;侯燕芳;姚佳偉;李云;王順森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/10;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發(fā)明公開了一種固體顆粒沖擊材料沖蝕損傷演化的預(yù)測(cè)方法，包括：1)構(gòu)造Model，獲取沖蝕材料的沖蝕特性參數(shù)；2)在Model中建立靶材Part，再對(duì)靶材進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定靶材的分析步；3)在Model中進(jìn)行若干顆粒的參數(shù)化建模，并對(duì)所述顆粒進(jìn)行網(wǎng)格劃分；4)基于沖蝕材料的沖蝕特性參數(shù)，針對(duì)顆粒及靶材設(shè)定相互作用、載荷及邊界條件，所述沖蝕材料包括顆粒及靶材；5)通過(guò)若干顆粒同時(shí)隨機(jī)沖擊靶材的表面；6)進(jìn)行靶材表面的微觀力學(xué)及形貌分析，該方法能夠揭示固體顆粒沖蝕過(guò)程中材料的損傷破壞機(jī)理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種固體顆粒沖擊材料沖蝕損傷演化的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

固體顆粒沖蝕磨損是指固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊，發(fā)生材料損耗的一種現(xiàn)象或過(guò)程，廣泛存在于機(jī)械、冶金、能源、化工、航天等許多工業(yè)部門，是引起材料破壞或設(shè)備失效的一個(gè)重要原因。

顆粒的幾何參數(shù)(尺寸、形狀等)是影響材料沖蝕行為的重要因素。在一定顆粒尺寸范圍內(nèi)塑性材料的沖蝕率隨顆粒粒度增加而上升，但當(dāng)尺寸達(dá)到某一臨界值時(shí)沖蝕率基本不變。尖角粒子沖擊靶材產(chǎn)生較多切削和犁削，因而造成的沖蝕失重遠(yuǎn)大于球狀粒子。此外，當(dāng)顆粒尺寸較小時(shí)，靶材表面的亞微觀結(jié)構(gòu)，如表面粗糙度、已有的沖蝕溝槽等材料表面結(jié)構(gòu)的變化會(huì)改變顆粒的撞擊角度、位置以及靶材的局部力學(xué)性能，進(jìn)而對(duì)顆粒的沖蝕行為產(chǎn)生顯著影響。即便在同樣沖擊速度、角度等沖蝕條件下，顆粒幾何參數(shù)的改變也會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生完全不同的沖蝕損傷行為。總體而言，材料的沖蝕行為受顆粒幾何參數(shù)、顆粒及靶材力學(xué)特性、沖蝕條件等的綜合影響，其機(jī)理非常復(fù)雜。沖蝕實(shí)驗(yàn)常用于分析單一因素對(duì)材料沖蝕率的影響，很難對(duì)顆粒瞬態(tài)沖蝕過(guò)程材料損傷演化過(guò)程進(jìn)行分析，因此在揭示沖蝕機(jī)理方面仍有欠缺。

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于有限元方法的非線性動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬成為從微觀層面研究材料沖蝕機(jī)理的主要手段。ElTobgy指出用單一顆粒沖擊模擬無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算材料的沖蝕率。Meguid等采用規(guī)則排列的球形顆粒建立了多次撞擊模型，指出顆粒分離距離的減小導(dǎo)致材料表面殘余應(yīng)力和塑性變形區(qū)域分布更加均勻。Mohammadi、Khoddami等分別建立了連續(xù)球形顆粒沖擊靶材同一位置的三維沖蝕模型，研究了沖擊次數(shù)等沖擊條件對(duì)材料沖蝕率的影響。Azimian、Takaffoli等建立了片狀四邊形顆粒的沖蝕模型，研究了沖擊角度、顆粒形狀尖角等對(duì)靶材沖蝕性能的影響。總結(jié)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前文獻(xiàn)中開展的固體顆粒對(duì)材料的沖蝕損傷模擬大多采用尺寸單一、幾何形狀規(guī)則的球形或片狀四邊形顆粒，而實(shí)際工業(yè)過(guò)程中參與沖蝕的顆粒往往呈現(xiàn)出形狀不規(guī)則、顆粒尺寸分散度大且隨機(jī)的特點(diǎn)。另外，當(dāng)前模擬過(guò)程中通常假設(shè)多個(gè)顆粒沖擊材料表面相同的位置，沖擊次數(shù)為3～5次，這難以體現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)期服役過(guò)程中顆粒沖蝕位置隨機(jī)和沖擊次數(shù)頻繁的特點(diǎn)，因而無(wú)法有效揭示固體顆粒沖蝕過(guò)程中材料的損傷破壞機(jī)理。此外，研究顆粒幾何參數(shù)及沖蝕條件等眾多因素對(duì)靶材沖蝕特性的影響需要進(jìn)行大量的重復(fù)性操作，這對(duì)通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法研究顆粒對(duì)材料的沖蝕損傷機(jī)理提出了更大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種固體顆粒沖擊材料沖蝕損傷演化的預(yù)測(cè)方法，該方法能夠揭示固體顆粒沖蝕過(guò)程中材料的損傷破壞機(jī)理。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的固體顆粒沖擊材料沖蝕損傷演化的預(yù)測(cè)方法包括：

1)構(gòu)造Model，獲取沖蝕材料的沖蝕特性參數(shù)；

2)在Model中建立靶材Part，再對(duì)靶材進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定靶材的分析步；

3)在Model中進(jìn)行若干顆粒的參數(shù)化建模，并對(duì)所述顆粒進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

4)基于沖蝕材料的沖蝕特性參數(shù)，針對(duì)顆粒及靶材設(shè)定相互作用、載荷及邊界條件，所述沖蝕材料包括顆粒及靶材；

5)通過(guò)若干顆粒同時(shí)隨機(jī)沖擊靶材的表面；

6)進(jìn)行靶材表面的微觀力學(xué)及形貌分析。