[发明专利]一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端

说明书

本发明属于特种钢加工技术领域，公开了一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端，用于特种钢制造过程中由于热处理工艺导致的结构疲劳断裂破坏过程分析。将在已有边界元法的成果基础上，以特种钢结构中温度、位移、应变、应力场分布及裂纹问题作为对象，充分利用边界元法相对于有限元法的高精度优势，对近奇异积分、奇异积分和超奇异积分算法、单位分解法、加强函数和NURBS算法等关键性理论和算法进行系统深入研究。本发明能准确地获得特种钢结构内部裂纹附近精确的位移、应力场以及相应的断裂力学性能参数、揭示特种钢成型过程中的缺陷产生机理。

技术领域

本发明属于特种钢加工技术领域，尤其涉及一种热损伤边界元测定方法、系统、介质、设备、终端。

背景技术

目前，在特种钢毛坯制造成型过程中，常采用淬火、回火等热处理工艺以提升表面硬度。而在反复加热、淬火、回火的过程中结构内部温度分布不均匀导致热应力，在热应力的作用下，薄弱处容易萌生裂纹，裂纹在结构反复受热冷却的循环热载荷下将进一步演化扩展，最终导致结构的破坏。当然，交变热载荷下裂纹的产生是必然的，而裂纹的大小和规模却对特种钢结构的使用性能有极大影响。因此，有必要对这些特种钢结构在淬火回火热处理工况下的裂纹扩展水平进行准确分析计算，进而指导优化热处理工艺，提高成品率。

要分析裂纹扩展，准确计算裂纹尖端附近的应力场分布极其关键。当前结构分析软件以有限单元法(FEM)为主，FEM对物理量的模拟主要采用常规的实体单元，因此，常规有限元方法需要在裂纹附近使用极其密集的网格，才能保证裂纹附近的裂尖张开位移(COD)和应力强度因子(SIF)的计算精度。密集网格的需求对网格划分带来了极大困难，另一方面也极大提高了计算规模，在结构内部多处已萌生微裂纹时，有限元网格划分将变得极其困难更无法做到自动划分。为解决这一难题，有限元方法国际权威T.Belyschko在传统基于单元的基础上发展了一种扩展有限元(X-FEM)技术，专门用于分析裂纹扩展问题。在X-FEM中，通过引入加强单元(EE)即在单元的形函数中引入阶跃函数项，用于模拟单元内部裂纹两侧位移场的不连续性；同时，将裂纹扩展控制在单元内部，单元之间的裂纹互不影响，使得计算变得高效。然而，X-FEM中EE的引入也使有限元方程组的系数矩阵性态变差，条件数变大，数值求解的稳定性成为新的挑战。边界元法(BEM)是一种半解析的数值方法，利用BEM求解的面力和位移具有同阶精度的优势，可提高结构热应变、应力计算精度。因此BEM在结构热应变、应力场分析中具有很大的优势。BEM基本解的奇异性质，更适合用于结构热力耦合疲劳断裂破坏过程中裂纹问题这类应力奇异性问题。

然而，中外学者们的基本上都只关注特种钢成型之后的残余应力或者工作状态下的温度分布，或者是单纯用BEM来分析结构裂纹问题，很少涉及到特种钢在制造过程中反复淬火回火工况下内部裂纹发展分析，这主要归结于以下原因：(1)当铸锻件毛坯含裂纹或者缺陷时，需要处理热力耦合下双边界积分方程中的奇异积分、超奇异积分和近超奇异积分。而处理奇异积分、超奇异积分和近奇异积分在数学和算法实现上相当困难，奇异积分、超奇异积分和近奇异积分的计算精度直接影响BEM分析特种钢结构温度、应变、应力精度以及相应的断裂力学性能参数，进而影响对其疲劳断裂破坏过程的分析。(2)裂纹尖端附近属于高梯度应力区(应力奇异性)，需要使用一些能反映应力奇异性的特殊单元提高应力强度因子计算精度提高特种钢结构疲劳断裂破坏过程的准确性。此外，由于裂纹形状的特殊性，特别是非贯穿型裂纹，离散时候需要使用多种形状的网格(三角形、四边形网格)，需要在常规的单元形函数中加入能反映奇异性的项。而高品质的三角形裂尖单元有待开发。(3)对于刀具结构在反复淬火回火下疲劳断裂破坏过程中的裂纹扩展问题，无论有限元法、扩展有限元法还是边界元法，使用三角形单元或者四边形单元来离散疲劳断裂过程中的裂纹面，都是保持C0连续，这在模拟裂纹前沿下一步扩展时候，得到的都是裂纹前沿一些线性分段，在实际计算中难以精确捕捉到裂纹前沿，导致下一步的应力强度因子计算精度不高，随着裂纹扩展误差会进一步累积导致模拟失真。此外，难以构建裂纹前沿的局部坐标系，得到裂纹扩展过程中的偏转角度是不连续的，导致难以分析这类特种钢结构疲劳断裂破坏过程中的多裂纹交叉问题。