全文摘要
本发明公开了一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法，包括以下步骤：(1)构建微粒位置在空间随机分布的微粒流冲击金属材料的有限元模型；(2)建立综合考虑应变强化、应变率强化、相变强化以及随动硬化效应的材料率相关混合硬化弹塑性本构模型；(3)编写ABAQUS‑VUMAT用户动态材料子程序，运用应力补偿更新算法实现提出的本构模型；(4)将子程序嵌入到ABAQUS中，对微粒流冲击金属构件的过程进行计算，进一步预测金属材料的力学行为。本发明可以用于模拟在空间随机分布的任意数量的微粒、对任意形式的金属结构进行冲击的力学行为预测。
主设计要求
1.一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)构建微粒位置在空间随机分布的微粒流冲击金属材料的有限元模型；所述步骤(1)具体为：首先，创建微粒和金属构件的有限元模型；其次，分别设置微粒和金属构件的材料属性，最后，设置分析步和通用接触属性，并且在微粒球心施加初始速度、划分网格；在创建微粒和金属构件的有限元模型过程中，通过Python语言对空间分布的球形微粒进行参数化建模，过程如下：步骤(a)在ABAQUS的部件模块创建第一个球形微粒模型，直径为d；步骤(b)利用Python提供的随机函数Random.Uniform()在指定区间内随机产生第m个空间点坐标(x，y，z)；步骤(c)若第m个空间点坐标与第k个微粒的球心之间的距离小于直径d，表明若以该点为球心、直径为d的微粒将与其它微粒在空间发生重叠，不满足要求，返回步骤(b)重新产生一个空间点坐标，反之，进入步骤(d)；其中，k＝1～m-1；步骤(d)计算以第m个空间点为球心、直径为d的微粒与第k个微粒冲击金属表面形成凹坑的中心位置之间的距离l，带入到Avrami方程P(l)表示两个凹坑相距为l的概率，为凹坑的直径，ε为常参数；步骤(e)利用Python提供的随机函数Random.Uniform(0，1)产生一个随机参数h，若P(l)＜h，返回步骤(b)重新产生一个空间点坐标；若P(l)＞h，则在ABAQUS的Assembly模块中以第一个微粒为目标对象创建一个相同的微粒实体，并移动该实体，移动后的球心坐标为空间点(x，y，z)，至此，完成第m个球形微粒的创建；步骤(2)建立综合考虑应变强化、应变率强化、相变强化以及随动硬化效应的材料率相关混合硬化弹塑性本构模型；步骤(3)编写ABAQUS-VUMAT用户动态材料子程序，运用应力补偿更新算法实现提出的本构模型；步骤(4)将子程序嵌入到ABAQUS中，对微粒流冲击金属构件的过程进行计算，进一步预测金属材料的力学行为。
设计方案
1.一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)构建微粒位置在空间随机分布的微粒流冲击金属材料的有限元模型；所述步骤(1)具体为：
首先，创建微粒和金属构件的有限元模型；其次，分别设置微粒和金属构件的材料属性，最后，设置分析步和通用接触属性，并且在微粒球心施加初始速度、划分网格；
在创建微粒和金属构件的有限元模型过程中，通过Python语言对空间分布的球形微粒进行参数化建模，过程如下：
步骤(a)在ABAQUS的部件模块创建第一个球形微粒模型，直径为d；
步骤(b)利用Python提供的随机函数Random.Uniform()在指定区间内随机产生第m个空间点坐标(x，y，z)；
步骤(c)若第m个空间点坐标与第k个微粒的球心之间的距离小于直径d，表明若以该点为球心、直径为d的微粒将与其它微粒在空间发生重叠，不满足要求，返回步骤(b)重新产生一个空间点坐标，反之，进入步骤(d)；其中，k＝1～m-1；
步骤(d)计算以第m个空间点为球心、直径为d的微粒与第k个微粒冲击金属表面形成凹坑的中心位置之间的距离l，带入到Avrami方程设计说明书
技术领域
本发明涉及金属表面强化处理领域，尤其涉及一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法。
背景技术
微粒流冲击技术是一项先进的金属表面处理技术，相比喷丸处理技术，其微粒直径更小，而冲击速度却更高。微粒流冲击金属构件的过程，诱导表层组织发生塑性变形，引起晶粒细化、并且引入有益的残余压应力，因此，能够提高金属构件表面强度和硬度、抗疲劳性能以及抗应力腐蚀性能。由于实验研究耗时长、成本高，目前有限元法成为力学行为预测的主要研究手段。
在实际的工程中，大量微粒喷出后是随机撞击到待处理的金属表面上的。之前研究中的数值模型主要有单个微粒模型、多个微粒模型等形式，其冲击位置是固定的，忽略了真实过程中冲击凹坑位置的随机性。近几年，有学者[1]采用有限元计算软件ABAQUS提供的python 语言开发一种弹丸在空间位置随机分布的喷丸模型，可以更加真实地模拟喷丸冲击过程。为金属材料在微粒流冲击下力学行为的有限元预测提高很好的借鉴。
准确描述材料的本构关系是预测金属构件在微粒流冲击下力学行为的前提。在目前的研究中材料的本构关系多采用Johnson-Cook模型[2]，该模型反映了材料的应变硬化和应变率硬化。但是在大量微粒反复冲击金属构件的过程中，金属表面承受非线性弹塑性循环载荷的作用，会产生包申格效应。随动硬化模型能够考虑包申格效应的存在，即认为材料在拉伸方向强化，而在压缩方向同等地软化。而且，微粒流冲击金属构件引起表层组织发生塑性变形，塑性应变诱导金属组织发生相变，因此还需要考虑材料的相变硬化的影响。Sanjurjo[3]等提出的本构方程考虑了应变率硬化和随动硬化效应，但是没有考虑相变硬化。凌祥等[4]的研究中关注了马氏体相变强化的影响，然而屈服强度的提高仅依据经验公式进行推算，缺乏可靠性。综上所述，需要提出一种综合考虑应变硬化、应变率硬化、相变硬化以及随动硬化的材料本构模型。
参考文献：
[1]李源,雷丽萍,曾攀.弹丸束喷丸有限元模型数值模拟及试验研究[J].机械工程学报, 2011,47(22):43-48.
[2]李雁淮,王飞,吕坚,等.单丸粒喷丸模型和多丸粒喷丸模型的有限元模拟[J].西安交通大学学报,2007,41(3):348-352.
[3]Sanjurjo P.,et al.Influence of the target material constitutivemodel on the numerical simulation of a shot peening process[J].Surface andCoatings Technology,2014,258:822-831.
[4]凌祥,彭薇薇,倪红芳.喷丸三维残余应力场的有限元模拟[J].机械工程学报,2006, 42(8):182-189.
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：一种基于混合硬化模型的微粒流冲击金属材料力学行为预测方法，包括以下步骤：
(1)构建微粒位置在空间随机分布的微粒流冲击金属材料的有限元模型；
(2)建立综合考虑应变强化、应变率强化、相变强化以及随动硬化效应的材料率相关混合硬化弹塑性本构模型；
(3)编写ABAQUS-VUMAT用户动态材料子程序，运用应力补偿更新算法实现提出的本构模型；
(4)将子程序嵌入到ABAQUS中，对微粒流冲击金属构件的过程进行计算，进一步预测金属材料的力学行为。
进一步的，所述步骤(1)具体为：
首先，创建微粒和金属构件的有限元模型；其次，分别设置微粒和金属构件的材料属性，在设置分析步和通用接触属性之后在微粒球心施加初始速度、划分网格。
进一步的，在创建微粒和金属构件的有限元模型过程中，通过Python语言对空间分布的球形微粒进行参数化建模，过程如下：
(a)在ABAQUS的部件模块创建第一个球形微粒模型，直径为d；
(b)利用Python提供的随机函数Random.Uniform()在指定区间内随机产生第m个空间点坐标(x,y,z)；
(c)若第m个空间点坐标与第k(k＝1～m-1)个微粒的球心之间的距离小于直径d，表明若以该点为球心、直径为d的微粒将与其它微粒在空间发生重叠，不满足要求，返回步骤(b)重新产生一个空间点坐标，反之，进入步骤(d)；
(d)计算以第m个空间点为球心、直径为d的微粒与第k(k＝1～m-1)个微粒冲击金属表面形成凹坑的中心位置之间的距离l，带入到Avrami方程设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910045197.3
申请日:2019-01-17
公开号:CN109946006A
公开日:2019-06-28
国家:CN
国家/省市:37(山东)
授权编号:CN109946006B
授权时间:20190924
主分类号:G01L 5/00
专利分类号:G01L5/00;G01N3/30;G06F17/50
范畴分类:31J;
申请人:中国石油大学（华东）
第一申请人:中国石油大学（华东）
申请人地址:257045 山东省东营市北二路271号
发明人:周凡;蒋文春;杜洋
第一发明人:周凡
当前权利人:中国石油大学（华东）
代理人:邱启旺
代理机构:33200
代理机构编号:杭州求是专利事务所有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计