本发明专利技术公开了一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，包括如下步骤：采用轻气炮发射子弹冲击试样网格区域获得冲击损伤后，测量冲击损伤尺寸、损伤轮廓、损伤周围实体网格单元的表面残余应变以及表面残余应力；通过有限元软件建立参数化的冲击有限元模型，得到数值模拟的冲击损伤尺寸、数值模拟的冲击损伤轮廓、数值模拟的表面实体网格单元的表面残余应变和残余应力；计算试验实测与数值模拟的冲击损伤尺寸、损伤轮廓、表面残余应变和残余应力的相对误差；判断相对误差是否均小于预期值，直到获得满足精度要求的数值模拟结果。本发明专利技术解决了冲击损伤几何和内部残余应力的数值模拟精度问题。力的数值模拟精度问题。力的数值模拟精度问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法
[0001]本专利技术涉及一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，属于航空发动机叶片冲击损伤再现、冲击损伤容限及维修性评估领域。
技术介绍
[0002]飞机在起飞和降落过程中，航空发动机时常会吸入小石子、砂砾和金属等硬物，并冲击发动机风扇/压气机叶片，造成凹坑、缺口、撕裂、划痕等冲击损伤，它们是造成叶片疲劳强度衰退，缩短叶片疲劳寿命，使其在服役周期内过早断裂的主要因素之一，因此必须对损伤叶片进行冲击损伤容限和维修性评估。冲击损伤往往具有显著的应力集中和残余应力，对损伤叶片的疲劳性能具有严重的影响。
[0003]目前，表面残余应力分布可通过残余应力测量设备测量获得，而目前直接测量完整的内部残余应力分布几乎不可能实现，通过腐蚀剥层法测试内部残余应力的时间成本的物质成本较高，无法满足工程需求。所以，借助于有限元软件的数值模拟方法成为有效获得材料冲击损伤内部残余应力分布的有效手段，例如ANSYS Ls
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dyna或Abaqus等。但是，由于实际冲击过程具有分散性，例如子弹姿态、靶心位置等与名义试验参数具有差异，且这种差异对冲击损伤的几何形貌和残余应力具有显著的影响，所以采用名义冲击条件去做数值模拟的结果与实验结果的误差往往较大。同时，材料模型中失效应变不仅对数值模拟结果的影响较大，而且难以通过实验方法准确获得。因此，通过现有的冲击损伤数值模拟手段难以获得准确的残余应力数值，甚至分布形式与实际结果也相差甚远，所以现有手段已满足冲击损伤疲劳性能预测的要求。因此，需要一种提高冲击损伤几何和内部残余应力数值模拟精度的方法。
[0004]本专利技术为解决以上问题，提出了一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法。该方法的核心思想是通过激光映射网格将有限元数值模型与现实实体模型相关联，也可以避免冲击导致网格脱落问题，基于冲击试验的实测结果来校准有限元法的数值模拟结果。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于按照冲击损伤后的缺口尺寸、轮廓、残余应力和残余应变作为约束变量，提出了一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，以解决冲击损伤几何和内部残余应力的数值模拟精度问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，包括如下步骤：
[0008]第一步，使用激光刻蚀将有限元网格比例放大后映射于试样待冲击区表面形成表面实体网格单元，然后采用轻气炮发射子弹冲击试样网格区域获得冲击损伤后，测量冲击损伤尺寸、损伤轮廓、损伤周围实体网格单元的表面残余应变以及表面残余应力；
[0009]第二步，通过有限元软件建立参数化的冲击有限元模型，设置子弹与试样的材料
模型参数，定义约束后求解，得到数值模拟的冲击损伤尺寸、数值模拟的冲击损伤轮廓、数值模拟的表面实体网格单元的表面残余应变和残余应力；
[0010]第三步，计算试验实测与数值模拟的冲击损伤尺寸、损伤轮廓、表面残余应变和残余应力的相对误差；
[0011]第四步，判断第三步中相对误差是否均小于预期值，若超过预期值则改变优化变量包括冲击参数、材料模型参数及网格尺寸参数，重复第一步至第三步，直到获得满足精度要求的数值模拟结果。
[0012]所述第一步中，待冲击区域的试样实物表面网格形状、方向与有限元中试样实体表面网格相同，均为四边形网格，尺寸为倍数关系；实体网格具有线宽、线条间隔和线条方向，通过激光刻蚀获得，刻蚀深度不超过0.1mm，完成刻蚀后根据坐标并对实体网格各单元和刻线交点进行编号。
[0013]所述第一步中，采用轻气炮以设定的冲击角度、冲击速度发射指定形状尺寸的子弹，子弹形状包括球形、方形、圆柱形，冲击试样实体网格区域指定位置获得冲击损伤，冲击损伤包括凹坑、缺口。
[0014]所述第一步中，冲击损伤周围实物表面网格单元的表面残余应变由非接触式数字图像相关测量系统通过对比冲击前后实物表面网格的变形得到；冲击损伤周围实物表面网格单元表面残余应力由微区X射线应力仪测量各节点位置的残余应力值后求算数平均得到；通过数值光学显微镜测量冲击损伤几何尺寸，冲击损伤尺寸包括损伤深度、损伤长度、损伤宽度。
[0015]所述第二步中，建立的参数化的冲击有限元模型包括子弹与试样的有限元网格模型、子弹姿态、子弹相对于试样的位置，定义的约束包括冲击速度和冲击角度。
[0016]所述第三步中，损伤轮廓相对误差表示为：
[0017][0018]其中，为试验获得冲击损伤发生材料损失的实物表面单元数量，通过冲击试验后统计其编号和数量获得；n
e
为实物表面单元内包含的有限元单元数量，为第i个发生材料损失的实物表面单元范围内发生有限元单元删除的数量；对于实体网格完全丢失和与之对应的有限元网格完全删除的情况，与n
e
的比值为1，SIM数值越小表示数值模拟网格损失后的残余网格轮廓与实际冲击损伤的轮廓越接近。
[0019]所述第三步中，计算比例规格的实体网格与有限元网格两种情况下冲击损伤尺寸的相对误差表示：
[0020][0021]其中，为有限元模拟冲击损伤在不同位置的深度，为试验获得冲击损伤在不同位置的深度，为有限元模拟冲击损伤的长度，为试验获得冲击损伤的长度，为有限元模拟冲击损伤的宽度，为试验获得冲击损伤的宽度。
[0022]所述第三步中，实体网格与有限元网格两种情况下冲击损伤网格表面残余应变和残余应力的相对误差分别表示为：
[0023][0024][0025]其中，进行表面残余应变和残余应力测量的单元仅包括半径范围为1倍最大损伤深度至半径为2倍最大损伤深度带状区域内单元，n为该带状区域表面单元的个数。深度至半径为2倍最大损伤深度带状区域内单元，n为该带状区域表面单元的个数。为数值模拟冲击损伤有限元网格单元的残余应变和残余应力，为数值模拟冲击损伤有限元网格单元的残余应变和残余应力，为试验模拟冲击损伤实体网格单元的残余应变和残余应力。
[0026]所述第四步中，冲击参数为子弹姿态参量和子弹相对于试样的位置参量，材料模型参数为失效应变参数，网格尺寸参数为实物表面网格单元尺寸与有限元网格单元尺寸的比值。
[0027]有益效果：本专利技术为航空发动机叶片的冲击损伤数值模拟计算提供了一种合理规范的优化方法和流程。本专利技术结合冲击试验测量手段和有限元分析方法，根据残余轮廓、表面残余应变和残余应力的相对误差值调整计算参数校准数值模拟结果。该方法可以解决冲击损伤几何和内部残余应力数值模拟的精度问题，有益于进一步评估和确定冲击损伤容限及其维修性。
附图说明
[0028]图1为实体网格与有限元网格之间的比例关系；
[0029]图2为钛合金试样待冲击区的激光刻蚀的实体网格实物图；
[0030]图3为冲击靶心位置示意图；
[0031]图4为试验所得冲击损伤的尺寸与数字模拟所得冲击损伤的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，使用激光刻蚀将有限元网格比例放大后映射于试样待冲击区表面形成表面实体网格单元，然后采用轻气炮发射子弹冲击试样网格区域获得冲击损伤后，测量冲击损伤尺寸、损伤轮廓、损伤周围实体网格单元的表面残余应变以及表面残余应力；第二步，通过有限元软件建立参数化的冲击有限元模型，设置子弹与试样的材料模型参数，定义约束后求解，得到数值模拟的冲击损伤尺寸、数值模拟的冲击损伤轮廓、数值模拟的表面实体网格单元的表面残余应变和残余应力；第三步，计算试验实测与数值模拟的冲击损伤尺寸、损伤轮廓、表面残余应变和残余应力的相对误差；第四步，判断第三步中相对误差是否均小于预期值，若超过预期值则改变优化变量包括冲击参数、材料模型参数及网格尺寸参数，重复第一步至第三步，直到获得满足精度要求的数值模拟结果。2.根据权利要求1所述的基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，其特征在于：所述第一步中，待冲击区域的试样实物表面网格形状、方向与有限元中试样实体表面网格相同，均为四边形网格，尺寸为倍数关系；实体网格具有线宽、线条间隔和线条方向，通过激光刻蚀获得，刻蚀深度不超过0.1mm，完成刻蚀后根据坐标并对实体网格各单元和刻线交点进行编号。3.根据权利要求1所述的基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，其特征在于：所述第一步中，采用轻气炮以设定的冲击角度、冲击速度发射指定形状尺寸的子弹，子弹形状包括球形、方形、圆柱形，冲击试样实体网格区域指定位置获得冲击损伤，冲击损伤包括凹坑、缺口。4.根据权利要求1所述的基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，其特征在于：所述第一步中，冲击损伤周围实物表面网格单元的表面残余应变由非接触式数字图像相关测量系统通过对比冲击前后实物表面网格的变形得到；冲击损伤周围实物表面网格单元表面残余应力由微区X射线应力仪测量各节点位置的残余应力值后求算数平均得到；通过数值光学显微镜测量冲击损伤几何尺寸，冲击损伤尺寸包括损伤深度、损伤长度、损伤宽度。5.根据权利要求1所述的基于激光映射实体网格的冲击损伤数值模拟优化方法，其特征在于：所述第二步中，建立的参...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾旭，王大伟，宋迎东，江荣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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