【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面强化，尤其涉及一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法。
技术介绍
1、航空发动机涡轮部件在高温、高压等极端服役环境下一旦发生疲劳失效，将会引起严重的后果。喷丸强化由于其能耗小、费用低、设备易操作等优点，已经成为表面强化技术的重要工艺之一，尤其用于涡轮盘、叶片等关键零部件的抗疲劳性能提升。在喷丸过程中，大量弹丸以一定速度冲击靶材表面，改变材料表面形貌，显著提高材料表面硬度，引起材料表面的微观组织演化，材料表面不均匀的塑性变形会诱导产生梯度分布的残余压应力，残余压应力可以很好地预防表面裂纹萌生、防止表面裂纹扩展，从而提高零件的抗疲劳性能。
2、目前喷丸强化表面的残余应力数据提取主要通过盲孔法和x射线衍射法等实验测试手段，盲孔法是典型的有损测试方法，其应力测量为部分释放，仅可测得材料表面残余应力，无法获取材料内部的残余应力数据；而x射线衍射法虽然可以简单直接的获取材料表面和内部的残余应力值，但其测试费用高昂，且数据结果依赖于测试位置，容易出现检测误差。随着计算机仿真技术的发展，有限元模拟逐渐替代实测，可以有效获取有意义的数据。
3、根据模拟弹丸数量的不同，喷丸模拟主要分为单弹丸冲击靶材、多弹丸固定位置排布冲击靶材和多弹丸随机排布冲击靶材三种。单弹丸冲击靶材模型主要研究了喷丸速度、冲击角度、弹丸材料类型及尺寸对靶材等效应力和塑性应变的影响。多弹丸冲击靶材模型逐渐代替了单弹丸冲击靶材模型而成为了研究主流，同时用于研究覆盖率对残余应力、表面粗糙度的分布规律等。较好地模拟弹丸喷射的随机性更能贴合喷丸
4、现有已公开专利“王延忠；张炜；余博.一种基于弹塑性碰撞的传动轴喷丸表面残余应力快速预测方法[p].北京市:cn112560259a,2021-03-26.”对传动轴喷丸表面实现了残余应力快速预测，过程中考虑了单弹丸碰撞、挤压屈服及回复得到单弹丸下材料的应力应变规律，并基于单弹丸碰撞面积计算覆盖率得到弹丸数量，然而并没有通过实验的方式评价单弹丸碰撞面积仿真结果的准确性，从而通过计算得到的弹丸数量有待证实。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于为了克服上述现有技术存在的不足，提供了一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，以实验观测的单弹丸冲击形成的弹坑尺寸为约束条件，对单弹丸冲击靶材模型进行验证，同时在多弹丸冲击靶材的仿真模型中生成保证目标覆盖率的弹丸位置坐标，建立与实验结果一致的多弹丸随机冲击靶材的有限元模型，以达到更好的预测效果，方法能够充分避免由于喷丸冲击强化过程中的随机效应带来的表面覆盖率误差问题，不仅仿真模型计算效率得以提升，而且误差小，对于理解喷丸表面的强化机理，研究喷丸参数与残余应力分布之间的关系具有重要意义。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用的技术解决方案为：一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，包括以下步骤：
3、获取单弹丸冲击产生的弹坑尺寸；
4、根据所述弹坑尺寸，建立单弹丸冲击靶材模型，对比实验和仿真结果以验证单弹丸冲击靶材有限元模型；
5、结合单弹丸冲击靶材有限元模型，求解满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标；
6、结合单弹丸冲击靶材有限元模型和满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标，建立随机多弹丸冲击靶材的有限元仿真模型，提取喷丸表面残余应力结果。
7、进一步的，获取单弹丸冲击产生的弹坑尺寸包括：通过低覆盖率下的喷丸实验得到单弹丸冲击产生的弹坑，通过分析测试设备观测弹坑尺寸，所述弹坑尺寸包括对弹坑直径d和弹丸冲击位移a进行测试和表征。
8、进一步的，对于单弹丸冲击靶材有限元模型和多弹丸冲击靶材的有限元仿真模型，靶材模型划分为弹丸冲击区、过渡区和无限元区，所有弹丸球心均被限制在弹丸冲击区，无限元区的网格类型设置为无限单元。
9、进一步的，求解满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标包括：
10、建立长度和宽度分别为p和q的矩形待喷靶材区域白色画布；
11、在白色画布内随机生成数量为n的弹丸球心点坐标，并生成以弹丸球心为圆心，弹坑半径r为半径的黑色圆形区域；
12、将弹坑形成后留下的黑色区域与白色画布面积的百分比作为算法计算出的覆盖率值；
13、比较计算覆盖率与目标覆盖率，输出满足条件的弹丸数量，弹丸数量的确定方法为循环次数下计算结果的标准差最小，且与avrami方程拟合；
14、将得到的弹丸数量和目标覆盖率作为约束，生成弹丸球心位置坐标。
15、进一步的，计算黑色区域与白色画布面积时，通过分别计算黑色区域与白色画布覆盖的像素点得到。
16、进一步的，所述avrami方程为：
17、
18、式中，c表示喷丸表面覆盖率，r表示弹坑半径，n表示弹丸数量。
19、进一步的，生成弹丸坐标遵循如下公式：
20、xi＝random.uniform(-0.1,0.1)
21、yi＝random.uniform(-0.1,0.1)
22、(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2≥r2
23、式中(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分别表示任意两个不同的弹丸坐标，r表示弹丸半径。
24、进一步的，确定喷丸表面残余应力时，取同一深度计算结果的平均值作为该深度的残余应力值。
25、进一步的，随机多弹丸冲击靶材模型建立完成后，采用喷丸实验验证随机多弹丸冲击靶材模型的准确性，具体包括，对待喷丸材料进行喷丸实验，测试沿深度方向分布的残余应力，将测试结果对随机多弹丸冲击靶材模型提取结果进行比较，根据比较结果对随机多弹丸冲击靶材模型进行验证。
26、通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下有益效果：
27、本专利技术建立了一种满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标的精确求解算法，以往研究中的avrami方程法计算的喷丸覆盖率是期望值，不能代表实际值，本专利技术提出的计算覆盖率的方法可以通过输入弹丸尺寸、弹坑尺寸、待喷区域面积等参数得到实际覆盖率值；
28、本专利技术在建立多弹丸冲击靶材的仿真模型中生成了保证目标覆盖率的弹丸位置坐标，建立与实验结果一致的多弹丸随机冲击靶材的有限元模型，该计算方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，获取单弹丸冲击产生的弹坑尺寸包括：通过低覆盖率下的喷丸实验得到单弹丸冲击产生的弹坑，通过分析测试设备观测弹坑尺寸，所述弹坑尺寸包括对弹坑直径d和弹丸冲击位移a进行测试和表征。
3.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，对于单弹丸冲击靶材有限元模型和多弹丸冲击靶材的有限元仿真模型，靶材模型划分为弹丸冲击区、过渡区和无限元区，所有弹丸球心均被限制在弹丸冲击区，无限元区的网格类型设置为无限单元。
4.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，求解满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标包括：
5.根据权利要求4所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，计算黑色区域与白色画布面积时，通过分别计算黑色区域与白色画布覆盖的像素点得到。
6.根据权利要求4所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获
7.根据权利要求4所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，生成弹丸坐标遵循如下公式：
8.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，确定喷丸表面残余应力时，取同一深度计算结果的平均值作为该深度的残余应力值。
9.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，随机多弹丸冲击靶材模型建立完成后，采用喷丸实验验证随机多喷丸冲击靶材模型的准确性，具体包括，对待喷丸材料进行喷丸实验，测试沿深度方向分布的残余应力，将测试结果与随机多弹丸冲击靶材模型提取结果进行比较，根据比较结果对随机多弹丸冲击靶材模型进行验证。
...【技术特征摘要】
1.一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，获取单弹丸冲击产生的弹坑尺寸包括：通过低覆盖率下的喷丸实验得到单弹丸冲击产生的弹坑，通过分析测试设备观测弹坑尺寸，所述弹坑尺寸包括对弹坑直径d和弹丸冲击位移a进行测试和表征。
3.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，对于单弹丸冲击靶材有限元模型和多弹丸冲击靶材的有限元仿真模型，靶材模型划分为弹丸冲击区、过渡区和无限元区，所有弹丸球心均被限制在弹丸冲击区，无限元区的网格类型设置为无限单元。
4.根据权利要求1所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法，其特征在于，求解满足目标覆盖率的弹丸数量及弹丸球心生成位置坐标包括：
5.根据权利要求4所述的一种随机工况下的喷丸表面残余应力获取方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：张俊，冯唯，刘弘光，唐宇阳，张阳光，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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