[发明专利]一种基于SPH方法的颗粒冲击铝合金表面形貌预测仿真方法

说明书

一种基于SPH方法的颗粒冲击铝合金表面形貌预测仿真方法，其特征在于：首先建立120‑200颗三维颗粒冲击工件模型，然后进行仿真设置和仿真求解，颗粒材料使用高硬度氧化铝材料和中等硬度氨基模塑料材料。仿真结果采用三维插值原理读取工件表层粒子坐标信息，绘制出表面三维形貌图。本发明能够与实验结果有很好的一致性，准确的预测不同颗粒撞击角度下工件表面撞击形貌。本发明能够清晰的展现了磨料气射流抛光过程中颗粒的高速撞击行为，从而也有助于磨料气射流抛光加工材料去除机理的研究。

技术领域

本发明属于材料表面抛光加工技术领域,尤其是一种铝合金表面处理技术，具体地说是一种基于SPH方法的颗粒冲击铝合金表面形貌预测仿真方法。

背景技术

7075铝合金作为一种轻型结构材料，已经被广泛用于大型飞机结构中。同时，在航空航天工业中，整体和大型飞机结构的表面精加工需要在其铣削过程之后进行。然而，由于尺寸大、结构复杂，飞机结构的表面光整加工非常困难。而磨料气射流作为一种新型的加工方法，具有切削力小、柔性高、热效应可忽略、加工通用性强等明显优势，适用于大型复杂整体零件的表面抛光。磨料气射流加工随着使用的磨料材质的不同将得到不同的表面加工质量，目前磨料气射流加工方法所使用的抛光磨料大多为氧化铝、表面涂覆碳化硅和磁性材料的热塑性高分子聚合物、碳化硅颗粒等高硬度磨料。

而在国内外磨料气射流的数值模拟研究中也存在许多局限。目前，研究多是基于高硬度磨料建立单科粒或几个颗粒的冲击模型，也有采用球形颗粒和规则多边形颗粒或者是不规则片状颗粒的有限元模型，所以难以反映带有多棱角的块状颗粒模型。并且国内外还没有使用中等硬度磨料进行仿真的研究。

因此有必要建立一种多颗粒的多至数百颗颗粒的三维仿真模型，对不同冲击角度下的氧化铝磨料气射流抛光和中等硬度氨基模塑料磨料抛光进行仿真模拟。JC本构模型已经被广泛用于韧性金属材料的数值模拟，而光滑粒子流体动力学(SPH)方法作为一种新兴的无网格的仿真方法，解决了有限元方法在处理大应变、大应变率时网格畸变等问题，能很好地模拟出韧性材料分离和形貌形成过程。

发明内容

本发明的目的针对现有的模拟方法不能反应多颗粒、带多棱角块状颗粒冲击抛光效果的问题，发明一种基于光滑粒子流体动力学方法的多颗粒冲击工件表面仿真模拟方法。建立三维120-200颗颗粒冲击工件板模型，采用超硬氧化铝材料颗粒和中等硬度氨基模塑料材料颗粒，仿真分别得到两种材料颗粒不同冲击角度的冲击形貌并与实验得到的结果进行对比证明模型预测结果的准确性。本发明能够节省复杂的实验步骤、实验成本和经济成本。

本发明的技术方案是：

一种基于SPH方法的颗粒冲击铝合金表面形貌预测仿真方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1:根据实际磨料颗粒尺寸和结构，建立五种结构颗粒三维模型。

步骤2：利用三维建模软件建立120-200颗颗粒冲击工件模型；

步骤3：将三维颗粒冲击模型导入到有限元前处理软件里进行网格划分并生成SPH模型；

步骤4：在步骤3所述有限元前处理软件中设置材料属性、边界条件、和接触类型并求解计算；

步骤5：绘制颗粒冲击仿真结果工件表面三维形貌图。

步骤6：根据步骤五所绘工件表面三维形貌图，绘制二维等高线图并获取等高线图上任意剖面的二维剖面轮廓线图。

步骤7：根据仿真条件参数，设置对应的实验以验证仿真结果的准确性。

所述步骤4的SPH模型粒子边界采用虚粒子法约束。设置接触类型为节点到面接触。氧化铝颗粒材料采用刚体材料模型；氨基模塑料颗粒材料采用添加以最大主应力为失效标准的线弹性材料模型。

所述步骤5采用三维插值原理绘制工件表面三维形貌图。