一种工件表层代表体积元构建方法技术

本发明专利技术涉及结构件疲劳寿命的研究，具体涉及一种复杂结构件在承受多轴载荷时其疲劳寿命预测的方法；本发明专利技术首先开展结构件材料拉伸与疲劳实验，获取其宏观材料性能；然后测量结构件材料多晶压痕模量，获取其不同晶粒取向的压痕模量和单晶弹性系数等微观材料性能；最后建立结构件跨尺度有限元解析模型，预测结构件多轴疲劳寿命；本发明专利技术考虑了承载件实际结构特征，对其疲劳行为的描绘更加准确；通过模拟结构件的实际加载方式，可以实现复杂载荷下结构件的疲劳寿命的预测，减少因简化载荷带来的误差；使用子模型嵌套的方式，综合考虑了待预测件的宏观结构和微观结构，可大幅提高预测的精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种工件表层代表体积元构建方法


[0001]本专利技术涉及工件表层微观组织结构的研究，具体涉及一种表层代表体积元构建方法。

技术介绍

[0002]随着有限元技术的发展，利用晶体塑性对建立的代表体积元进行模拟成为了对工件疲劳寿命预测的首选方法，但现如今建立的代表体积元模型都只能包含了材料的晶粒尺寸和取向等信息。而样件的加工表面完整性参数，如残余应力、表面形貌和微观结构等都对工件的疲劳寿命有着显著的影响，这就使得预测的疲劳寿命与真实疲劳寿命之间存在着较大的差距。因此，如何建立能包含样件表面完整性信息的代表体积元仍然是当前工作的重点。专利CN201710607748.1公开了一种基于真实微观组织结构SEM
‑
EBSD图像的有限元模型建模方法，通过对材料拍摄的SEM和EBSD图像进行处理建立了材料的代表体积元；专利CN202111108049.5公开了一种晶体塑性有限元建模仿真方法，借助Dream.3D软件与Python脚本，建立了包含晶粒平均几何取向信息的代表体积元；专利CN201710089897.3公开了一种Ni3Al基合金代表体积单元模型的构建方法，通过统计合金微细观结构微观几何特征参量的分布规律生成了代表体积元。但是这些代表体积元建立方法还存在以下不足：
①
构建的代表性体积单元模型与材料真实晶体结构具有较大差异，有限元仿真研究的精度低；
②
建立的代表体积元模型只包含了材料内部的微观信息，而疲劳裂纹往往是在样件表层萌生的，针对性较差；
③
未考虑样件加工表面完整性参数的影响，使得其预测的疲劳寿命与真实寿命差距较大。上述不足给疲劳寿命预测带来极大不便。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种工件表层代表体积元构建方法，通过检测加工样件的表面形貌、残余应力、和表面完整性数据，获取其表层性能，以建立其表层代表体积元的方法。
[0004]为解决以上技术问题，本专利技术采用如下的技术方案，本专利技术采用如下步骤：
①
构建工件坐标系，获得工件表面形貌、残余应力和微观结构等表面完整性数据；
②
基于工件表面形貌和表层微观结构生成包含表层晶粒梯度分布和表面粗糙度信息的代表体积元；201提取工件表面强化层和基体层晶粒尺寸分布和晶界角分布数据，生成含梯度晶粒结构的代表体积元；202根据提取的加工表面高度分布信息，计算均方根粗糙度值，202根据提取的加工表面高度分布信息，计算均方根粗糙度值，
式中，z(x,y)为样件表面测量实际高度值，为零平均表面高度值，S
q
为表面均方根粗糙度值；利用自相关函数和自相关长度表征工件加工表面纹理的轮廓间距和纵横比：l
x,ACF
(τ
x
)＝∫f
ACF
(τ
x
,τ
y
)dτ
y
ꢀꢀ
(4)l
y,ACF
(τ
y
)＝∫f
ACF
(τ
x
,τ
y
)dτ
x
ꢀꢀ
(5)(5)(5)式中，τ
x
和τ
y
为平面平移坐标；l
x,ACF
(τ
x
)和l
y,ACF
(τ
y
)分别为x方向和y方向的自相关系数之；β
x
和β
y
分别为x和y方向上的自相关长度；λ
s
为滤波器长度；R
ACL
为自相关长度比；203利用202中求得的表面粗糙度数据，建立二维指数形式的自相关函数来模拟加工表面形貌：工表面形貌：其中，β
x
′
和β
y
′
分别为修正后的x、y方向的自相关长度，R(x,y)为生成表面的自相关函数；203对得到的自相关函数进行傅里叶变换得到功率谱密度函数；
③
将工件表层残余应力数据导入已生成的代表体积元中，建立最终表层代表体积元模型。
[0005]所述步骤
①
包括：101测量工件表面形貌，提取表面高度分布信息；102沿层深测量工件表层x方向和y方向的层深残余应力数据；103在工件表面线切割材料，制样并拍摄包含工件加工强化层的电子背散射衍射图像。
[0006]所述步骤
③
包括：301以距表面的深度z为自变量，用多项式函数拟合用于赋予代表体积元残余应力的热膨胀系数：a(z)＝a1z4+a2z3+a3z2+a4z+a
5 (11)式中a1,a2,a3,a4和a5分别为多项式系数；302将步骤
②
中生成的代表体积元进行数值迭代，拟合得到热膨胀系数作为代表体积元的材料属性。
[0007]所述步骤203通过两级滤波和傅里叶反变换生成滤波表面，将生成的滤波表面导
入代表体积元中，生成含表面粗糙度信息的代表体积元。
[0008]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术通过测量工件加工表面完整性数据建立的代表体积元，更加符合工件真实加工表面状态；表面形貌建模提取了样件的表面粗糙度和两个方向上的自相关长度，比以往单纯根据粗糙度建立的模型更符合样件加工形貌；建立的代表体积元主要针对工件的表层性能，用于模拟工件表层疲劳失效更加准确和科学，相比传统代表体积元模型预测寿命更加准确。
附图说明
图1为车削件表面高度分布图；图2为磨削件表面高度分布图；图3为车削件和磨削件轴向残余应力；图4为车削件和磨削件周向残余应力；图5为车削件电子背散射衍射(EBSD)图像；图6为磨削件电子背散射衍射(EBSD)图像；图7为表层代表体积元的微观组织建模；图8为表层代表体积元的表面形貌建模；图9为表层代表体积元生成流程图。
具体实施方式
[0009]下面结合附图和具体的实例对本专利技术进行详细说明，其主要步骤如下：
①
测量工件表面形貌、残余应力和微观结构等表面完整性数据：101给定所需建立表层代表体积元的工件分别为车削加工和磨削加工的AISI 9310疲劳件，分别扫描其表面形貌，并提取曲面矫正后的表面高度分布信息，具体如图1和图2所示。102取车削样件和磨削样件，沿径向电解抛光，测量样件表层轴向和轴向的层深残余应力数据，如图3和图4所示。103分别取车削样件和磨削样件，在其表面线切割部分材料，制样并拍摄包含样件加工强化层的电子背散射衍射(EBSD)图像，并计算其晶粒尺寸分布曲线和晶界角分布曲线，如图5和图6所示。
②
基于样件表面形貌和表层微观结构生成包含表层晶粒梯度分布和表面粗糙度信息的代表体积元；201分别提取车削样件和磨削样件表面强化层和基体层晶粒尺寸分布和晶界角分布数据，并设置晶粒类型、晶格数和分辨率等参数，生成含梯度晶粒结构的代表体积元，具体如图7所示。202根据提取的样件加工表面高度分布信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工件表层代表体积元构建方法，其特征在于包括以下步骤：
①
构建工件坐标系，获得工件表面形貌、残余应力和微观结构等表面完整性数据；
②
基于工件表面形貌和表层微观结构生成包含表层晶粒梯度分布和表面粗糙度信息的代表体积元；201提取工件表面强化层和基体层晶粒尺寸分布和晶界角分布数据，生成含梯度晶粒结构的代表体积元；202根据提取的加工表面高度分布信息，计算均方根粗糙度值，202根据提取的加工表面高度分布信息，计算均方根粗糙度值，式中，z(x,y)为样件表面测量实际高度值，为零平均表面高度值，S
q
为表面均方根粗糙度值；利用自相关函数和自相关长度表征工件加工表面纹理的轮廓间距和纵横比：l
x,ACF
(τ
x
)＝∫f
ACF
(τ
x
,τ
y
)dτ
y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)l
y,ACF
(τ
y
)＝∫f
ACF
(τ
x
,τ
y
)dτ
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)(5)式中，τ
x
和τ
y
为平面平移坐标；l
x,ACF
(τ
x
)和l
y,ACF
(τ
y
)分别为x方向和y方向的自相关系数之；β
x

【专利技术属性】
技术研发人员：颜培，梁嘉斌，焦黎，宋逸凡，孙婕，王西彬，周天丰，滕龙龙，沈文华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：