一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法技术

本发明专利技术涉及一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，对传统的随机格型模型(lattice model)进行了改进，通过三个步骤构建了一个产生任意随机缩松单元的算法，使其能够描述缩松独特的随机“云态”聚集分布和随机“散点”分布相结合的特性。本发明专利技术能够生成一组任意二维随机缩松缺陷的数值样本(样本的数量用户可指定)，生成的样本能够实现缩松的面积、形状、位置以均为随机。这些随机样本可进一步用于缩松缺陷对铸件有效力学行为(例如弹性模量、应力集中系数等)影响等方面的统计分析，以获得随机缩松缺陷对铸件有效力学性能的定量影响。本发明专利技术涉及有限元分析、铸造缺陷评估和工程力学等专业领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铸件(铸铁、铸铝等)中的随机非均匀形态的数值模拟，及其缺陷随机性对力学性能的分析方法，具体涉及一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法。
技术介绍
缩松是铸件最后凝固的区域没有得到足够液态金属的补缩形成的细小而分散的缩孔。由于体积巨大、形状复杂、模数众多等原因，大型铸件中的缩松缺陷难以完全避免。图1为某柴油机机身铸件中发现的缩松缺陷，由于大型铸件本身的制造及其加工已经凝聚了非常高的劳动价值，轻易报废会产生巨大的浪费，工程上对于含少量缩松的铸件经常“带伤服役”。但是，缩松毕竟是母材中的非良态组织，会削弱有效承载性能和引起应力集中，成为铸件结构潜在的安全隐患。因此，准确评估缩松缺陷对铸件力学性能的定量影响，对指导铸件结构设计和提升铸件的经济效益具有积极的意义。通过探伤能够发现在铸件中的缩松呈现不同的形状和分布，位置也具有随机性。缩松的随机性，必然带来其影响的不确定性，传统的确定性模型难以反映缩松形态的随机性对铸件性能的波动的定量影响。造成在失效评判的有效性和模型的适用性上存在不足，大型铸件中若存在缩松缺陷，目前的方法对其疲劳性能的量化评估仍然存在困难。已有的研究中将缩松视为一类随机孔洞缺陷，然而，与传统的随机孔洞缺陷不同，缩松缺陷不是随机地均匀地分散在母材内部，而是局部聚集，宏观上呈类似“云态”分布(如图2所示为不同球墨铸铁试样中暴露出来的缩松缺陷图像，单位：mm)，是一类高度非均匀和局部随机性的缺陷类型。显然，采用数值方法建立能够描述这种随机“云态”特性的缩松模型，是准确研究缩松影响的基础，并且能够大大减少物理试验的成本。目前在已发表的文献资料中传统的随机格型模型(lattice model)模拟均是均匀型随机散点分布类型，未见能够模拟缩松独特的随机“云态”聚集的分布特性算法；而缩松的数值模拟方面也仅是针对某一已有缩松进行的确定性重构建模，未能有效模拟其各不相同的随机特性。在国家知识版权局系统的专利检索结果显示，关于缩松方面的专利均集中在铸件加工制造过程中缩松的预防和控制工艺方面，例如申请号
CN201510682367.0(一种气动泵体铸造工艺)，CN201510631289.1(厚大断面高硅钼球墨铸铁件及其制造方法)，等等，未发现对缩松的数值模拟方法方面的专利。在随机缺陷方面的专利，主要是缺陷的检验和诊断的方法方面，例如CN200910153380.1(一种检测CMOS工艺硅栅随机缺陷的方法)、CN200910134101.7(缺陷诊断及管理的方法)；专利号CN200880103576.3(确定实际缺陷是潜在系统性缺陷还是潜在随机缺陷的计算机实现的方法)是判断集成电路晶片上的缺陷类别的计算方法，未涉及随机缺陷的生成算法。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，对传统的格型模型的缺陷单元的随机选择算法进行了改进，建立了一种模拟随机缩松缺陷的数值算法，通过执行以下三个步骤(流程图如图4所示)：技术方案一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在需要测试铸件表面或横截面任意部位选定随机矩形m×n格型单元，作为缩松缺陷的“包络区域”R，其中m为行数，n为列数，这里m,n为通过随机数发生器产生的一个随机整数；步骤2：在“包络区域”R中进行构造随机形态的缩松缺陷计算，过程如下：a、首先对m×n格型单元进行编号，从第1行开始，采用随机数发生器产生一个随机整数ε，在该行上选择第ε个单元，即R(1,ε)，作为该行的缺陷起始单元，所述ε<n；b、获取初始单元在当前行中的列位置，以列号k表示；然后，用随机数发生器再产生一个随机整数β，使得β在区间[0,n-k]上随机取值，所述β为0和n-k之间的一个任意随机整数；c、依次选择起始缺陷单元S(j,1)之后的β个连续单元作为该行的缩松缺陷单元；若β＝n-k，则表示该行的缺陷单元一直延续到行末；d、判断当前行是否等于m，如果否，则将行号加1并更新为当前行号即j＝j+1；重复执行步骤a～d，直至当前行号达到m结束循环；步骤3：将步骤2计算的含有缩松缺陷单元的矩形缩松区域R(m,n)随机嵌入离散后的铸件表面或横截面G(a,a)，以描述缩松位置的随机性，得到一个含随机缩松缺陷
的数值区域铸件；离散方法为：将需要离散的部件部位G离散成是a×a个与步骤1中大小相等的格型单元，而且a>m,a>n；嵌入方法为：首先在G(a,a)格型单元中随机选择一个用于定位位置的二维数组A(u,v)，将矩形区域R(m,n)最左下角的起始单元R(1,1)赋给指派定位位置A(u,v)上所在的单元，即单元号修改为A(u,v)＝R(1,1)；为了不使矩形区域R(m,n)溢出到离散区域G(a,a)之外，定位单元的位置在行号为a-m+1，列号为a-n+1的可行区域；所述u,v代表一个单元所对应的列号和行号，数组中的u,v均是采用随机数发生器产生的整数。有益效果本专利技术提出的一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，对传统的随机格型模型(lattice model)进行了改进，通过三个步骤构建了一个产生任意随机缩松单元的算法，使其能够描述缩松独特的随机“云态”聚集分布和随机“散点”分布相结合的特性。这里以一个含缩松缺陷的试样为例(如图3(a)所示)说明其基本思想：假设一个试样的测试段中含有随机缩松缺陷。首先基于有限元法，将试样离散成若干尺寸相同的单元(称为格型单元)，每个单元的性质相同且为均匀弹性。试样中的缺陷，通过赋予其中若干随机单元为不同的材料属性来模拟，如图3(b)中所示的黑色部分单元，即这些随机单元具有与母材不同的强度/刚度信息。对比图3(a)和(b)可以看出，当所选的单元接近于实际试样中的缩松形态时，就建立了真实试样中缩松缺陷的一个近似等效数值模型。需要指出的是，一方面，图3中的随机单元不是任意地分散在试样格子中，既可能有呈“云态”聚集，也可能是点状离散，具有离散性型和成片型相结合的形貌特征。另一方面，实际工程中，缩松在铸件中的形状、面积、位置以及本身内部组织均是随机值。因此，如何选择试样中的随机单元为缩松单元的算法，使其能够描述这种高度非均匀和局部随机性，就成为上述等效模型准确性的关键。本专利技术能够生成一组任意二维随机缩松缺陷的数值样本(样本的数量用户可指定)，生成的样本能够实现缩松的面积、形状、位置以均为随机。这些随机样本可进一步用于缩松缺陷对铸件有效力学行为(例如弹性模量、应力集中系数等)影响等方面的统计分析，以获得随机缩松缺陷对铸件有效力学性能的定量影响。本专利技术涉及有限元分析、铸造缺陷评估和工程力学等专业领域。附图说明图1：铸件上的缩松缺陷；A为存在缩松缺陷的区域；图2：球墨铸铁试样表面暴露出来的缩松的随机形态(单位:mm)图3：含缩松缺陷的试样以及对应的等效数值模型(a)含缩松的试样；(b)缩松的等效数值模型；图4：随机缩松缺陷的构造算法流程图图5：步骤2(随机选择)构造随机形态的缩松缺陷算法流程图图6：步骤2(随机选择)构造随机形态的缩松缺陷算法示意图图7：步骤3(随机嵌入)的算法示意图图8：含随机缩松缺陷铸件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在需要测试铸件表面或横截面任意部位选定随机矩形m×n格型单元，作为缩松缺陷的“包络区域”R，其中m为行数，n为列数，这里m,n为通过随机数发生器产生的一个随机整数；步骤2：在“包络区域”R中进行构造随机形态的缩松缺陷计算，过程如下：a、首先对m×n格型单元进行编号，从第1行开始，采用随机数发生器产生一个随机整数ε，在该行上选择第ε个单元，即R(1,ε)，作为该行的缺陷起始单元，所述ε<n；b、获取初始单元在当前行中的列位置，以列号k表示；然后，用随机数发生器再产生一个随机整数β，使得β在区间[0,n‑k]上随机取值，所述β为0和n‑k之间的一个任意随机整数；c、依次选择起始缺陷单元S(j,1)之后的β个连续单元作为该行的缩松缺陷单元；若β＝n‑k，则表示该行的缺陷单元一直延续到行末；d、判断当前行是否等于m，如果否，则将行号加1并更新为当前行号即j＝j+1；重复执行步骤a～d，直至当前行号达到m结束循环；步骤3：将步骤2计算的含有缩松缺陷单元的矩形缩松区域R(m,n)随机嵌入离散后的铸件表面或横截面G(a,a)，以描述缩松位置的随机性，得到一个含随机缩松缺陷的数值区域铸件；离散方法为：将需要离散的部件部位G离散成是a×a个与步骤1中大小相等的格型单元，而且a>m,a>n；嵌入方法为：首先在G(a,a)格型单元中随机选择一个用于定位位置的二维数组A(u,v)，将矩形区域R(m,n)最左下角的起始单元R(1,1)赋给指派定位位置A(u,v)上所在的单元，即单元号修改为A(u,v)＝R(1,1)；为了不使矩形区域R(m,n)溢出到离散区域G(a,a)之外，定位单元的位置在行号为a‑m+1，列号为a‑n+1的可行区域；所述u,v代表一个单元所对应的列号和行号，数组中的u,v均是采用随机数发生器产生的整数。...

【技术特征摘要】
1.一种随机缩松缺陷对铸件力学性能影响的数值分析方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在需要测试铸件表面或横截面任意部位选定随机矩形m×n格型单元，作为缩松缺陷的“包络区域”R，其中m为行数，n为列数，这里m,n为通过随机数发生器产生的一个随机整数；步骤2：在“包络区域”R中进行构造随机形态的缩松缺陷计算，过程如下：a、首先对m×n格型单元进行编号，从第1行开始，采用随机数发生器产生一个随机整数ε，在该行上选择第ε个单元，即R(1,ε)，作为该行的缺陷起始单元，所述ε<n；b、获取初始单元在当前行中的列位置，以列号k表示；然后，用随机数发生器再产生一个随机整数β，使得β在区间[0,n-k]上随机取值，所述β为0和n-k之间的一个任意随机整数；c、依次选择起始缺陷单元S(j,1)之后的β个连续单元作为该行的缩松缺陷单元；若β＝n-k，则表示该行的缺陷单元一直延续到行末；d、判断当前行是否等于m，如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，李枫，高宗战，高行山，岳珠峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61