1.本发明属于金属橡胶疲劳失效领域，具体涉及一种基于虚拟制备技术的金属橡胶跨尺度寿命评估方法。
背景技术：
2.金属橡胶作为一种性能优异的、纯金属且多孔的减振材料，目前被广泛应用于诸多高精尖装备领域中。然而减振对象高精尖装备的维修难度及成本较高，因此对金属橡胶的使用寿命要求较为严格。经历一定使用周期后，金属橡胶构件均会发生不同程度的疲劳失效现象。金属橡胶由于疲劳载荷的作用会产生金属丝断裂、微动磨损以及结构变形破坏等现象，严重影响工业生产效率甚至导致巨大损失，因此金属橡胶的疲劳失效研究具有非常重要的意义。
3.金属橡胶作为一种结构复杂无序的弹性微孔隙材料，其内部金属丝之间的瞬态接触、受力状态会随着外载循环作用下发生动态调整，极难获得每根金属丝在实际工况下的受力及滑移状态，难以从微观层面出发分析金属橡胶的疲劳失效机理。目前关于金属橡胶疲劳失效预测方法主要采用试验法。然而试验法研究不同因素与疲劳失效的表征形式，只适用于特定工况的特定个体，并且需要大量的试验作为数据支持，同时对试验过程的稳定性较为敏感，没有从金属橡胶内部结构特征出发研究跨尺度宏微观映射关系，因而，不能对金属橡胶的使用寿命做出全面准确的预测。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供一种基于虚拟制备技术的金属橡胶跨尺度寿命评估方法，该方法有利于准确、高效地评价金属橡胶构件的疲劳寿命。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于虚拟制备技术的金属橡胶跨尺度寿命评估方法，包括以下步骤：
6.步骤s1：运用虚拟制备技术构建金属橡胶内部复杂多点随机接触的空间网状数值模型；
7.步骤s2：统计有限元仿真模拟加卸载循环过程中内部金属丝接触参数变化并储存在超维度矩阵中；
8.步骤s3：以单线匝微动磨损预测模型建立微观层面金属橡胶内部接触点磨损模型；
9.步骤s4：通过等间距原则将单线匝微元区间叠加，建立金属橡胶宏观整体疲劳损伤的累积预测模型。
10.进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：
11.步骤101：参数化建立金属丝螺旋卷数值模型，其中心基准轴线为绕圆柱的螺旋线，并按照设定的螺旋卷空间缠绕规则生成多根螺旋卷；
12.步骤102：保持金属丝螺旋卷的物理特性以及轨迹路径等参数不变，靠拢金属丝螺
旋卷形成毛坯数值模型；
13.步骤103：根据冲压工艺流程对毛坯数值模型进行成型冲压，得到成型后的金属橡胶的空间网状数值模型。
14.进一步地，所述步骤102中，根据建立的单根金属丝螺旋卷的数值模型，将螺旋卷的中心基准轴线位置坐标往外移动一段距离形成一条新的螺旋卷，模拟后面覆盖的金属丝螺旋卷，以此类推建立多条未接触的金属丝螺旋卷；保持金属丝螺旋卷的物理特性以及轨迹路径等参数不变，靠拢金属丝螺旋卷形成毛坯数值模型。
15.进一步地，所述步骤103中，根据冲压工艺流程，限制两端金属丝截面端点沿x,y轴方向的平动自由度以及绕x,y,z轴的转动自由度，仅释放模型沿z轴，即冲压加载方向的平动自由度，得到金属橡胶成型后的数值模型。
16.进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：
17.步骤201：通过小球算法和禁忌搜索算法对金属橡胶内部各金属丝间的接触状态进行分析计算，对金属橡胶内部接触点的数量变化、分布特点以及接触形式与接触摩擦状态进行精确追踪；
18.步骤202：通过掌握金属丝各个接触点在加卸载过程中的接触参数，即接触夹角、相对滑移距离以及接触载荷等充分了解内部各个接触点的磨损程度，利用有限元后处理手段提取各个接触点的接触参数，每个接触点均由一个超维度矩阵储存接触参数来表征接触状态。
19.进一步地，所述步骤201中，采用小球算法和禁忌搜索算法对金属丝的接触状态进行分析计算，将金属丝微元化后取质心为圆心，取接触阈值δ为半径创建接触小球，通过模型加卸载过程中各小球间的接触碰撞来判断金属丝微元间接触点数量，对金属橡胶内部接触点的数量变化、分布特点以及接触形式与接触摩擦状态进行精确追踪。
20.进一步地，所述步骤s3中，采用msc.marc软件对金属丝进行微动磨损有限元分析，根据仿真结果确定金属丝的磨损形貌、磨损深度与磨损体积，获得不同接触夹角下磨损形貌等值线图以及变化曲线图，得到任意接触状态下的磨损模型。
21.进一步地，获得不同接触夹角下磨损形貌等值线图以及变化曲线图后，结合微动磨损预测模型以及archard磨损机理，得到任意接触状态下的磨损深度演化模型，磨损深度与磨损体积的关系为：
[0022][0023][0024]
其中，h为金属丝的磨损深度，v为磨损体积，r1、r2为金属丝直径，θ为金属丝之间的接触夹角，a0、a分别为金属丝的接触初始半径、磨痕半宽。
[0025]
进一步地，所述步骤s4中，将单根金属丝微观磨损结果按等间距原则叠加，带入基于虚拟制备技术的无序网状结构金属橡胶材料的空间网状数值模型中，找到金属橡胶材料内部空间离散各接触点的位置和数量，然后通过概率统计法，对数值模型磨损体积累计进行综合判定，判断金属橡胶内部各接触点磨损累计是否超过疲劳失效的破坏准则。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027]
(1)本发明能够评估任意形状金属橡胶构件的疲劳寿命，通过跨尺度方法做出全面的预测，弥补了目前仅通过试验法评估金属橡胶使用寿命的不足。
[0028]
(2)本发明不需要大量试验数据作为基础，减少对试验次数的依赖，同时满足多个影响因素同时作用的条件，评估效率较高，并且经过验证，结果较为可靠。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例的方法实现流程图；
[0030]
图2为本发明实施例中金属橡胶虚拟制备过程示意图；
[0031]
图3为本发明实施例中特殊时刻接触点空间位置示意图；
[0032]
图4为本发明实施例中内部接触点信息提取示意图；
[0033]
图5为本发明实施例中不同接触夹角下金属丝磨损结果；
[0034]
图6为本发明实施例中数据处理原理示意图；
[0035]
图7为本发明实施例中不同疲劳周期后内部接触点磨损体积变化示意图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0037]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0038]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0039]
如图1所示，本实施例提供了一种基于虚拟制备技术的金属橡胶跨尺度寿命评估方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤s1：运用虚拟制备技术构建金属橡胶内部复杂多点随机接触的空间网状数值模型。
[0041]
根据实际缠绕特点可知，螺旋金属卷的中心基准轴线是一条绕圆柱的螺旋线，其空间几何特征可表示为：
[0042][0043]
其中，ψ∈[ψ1,ψ2]为旋转角度的取值范围，r为基架线的螺旋半径，z0为z轴初始点坐标。在中心基准轴线的起点处建立初始局部坐标系o0x0y0z0，局部坐标系沿着中心基准轴线轨迹移动，如图2(a)所示。根据局部坐标与全局坐标转换原理计算的某单根弯曲螺旋卷如图2(b)所示，并按照一定的螺旋卷空间缠绕规则即可生成多根螺旋卷。
[0044]
根据以上建立的单根金属丝螺旋卷的空间模型，将螺旋卷的中间基准轴线位置坐标往外移动一段距离形成一条新的螺旋卷，模拟后面覆盖的金属丝螺旋卷，以此类推建立
多条未接触的金属丝螺旋卷，如图2(c)所示。通过合理处理金属丝之间的接触状态并保持金属丝螺旋卷的物理特性以及轨迹路径等参数不变，靠拢金属丝螺旋卷形成毛坯数值模型，如图2(d)所示。
[0045]
根据冲压工艺流程，限制两端金属丝截面端点沿x,y轴方向的平动自由度以及绕x,y,z轴的转动自由度，仅释放模型沿z轴(冲压加载方向)的平动自由度，得到金属橡胶成型后的数值模型，如图2(e)所示。可以发现在外观形貌、丝路分布等方面数值模型与实际构件都非常相近，因此通过虚拟制备技术得到的模型与实际是相符的。
[0046]
步骤s2：统计有限元仿真模拟加卸载循环过程中内部金属丝接触参数变化，并储存在超维度矩阵中。
[0047]
采用小球算法和禁忌搜索算法对金属丝的接触状态进行分析计算，将金属丝微元化后取质心为圆心，取接触阈值δ为半径创建接触小球，通过模型加卸载过程中各小球间的接触碰撞来判断金属丝微元间接触点数量，对金属橡胶内部接触点的数量变化、分布特点以及接触形式与接触摩擦状态进行精确追踪。
[0048]
借助有限元数值模拟技术，对金属橡胶数值模型施加循环载荷，探究在循环过程中内部接触点接触状态的变化趋势，对其内部接触点的数量以及接触状态变化进行动态追踪记录，如图3所示为加载前、加载后以及卸载后三个特殊时刻所记录的接触点空间位置示意图。
[0049]
为了更加充分了解内部各个接触点的磨损程度，还需掌握各个接触点在加卸载过程中的接触参数，即接触夹角、相对滑移距离以及接触载荷等，因此在得到各个接触点的空间坐标后通过有限元后处理手段提取各个接触点的接触参数，每个接触点均可由一个超维度矩阵储存接触参数来表征接触状态，将构件内各个接触点的空间位置信息储存在[x,y,z]矩阵中，而接触参数储存在[f,δx,θ]矩阵中，如图4所示，为之后步骤的构件内部磨损预测奠定了数据基础。
[0050]
步骤s3：以单线匝微动磨损预测模型建立微观层面金属橡胶内部接触点磨损模型。
[0051]
应用msc.marc软件对金属丝进行微动磨损有限元分析，根据仿真结果确定不同接触夹角下金属丝的磨损形貌、磨损深度与磨损体积，获得不同接触夹角下磨损形貌等值线图以及变化曲线图，如图5所示。并结合现有的微动磨损预测模型以及archard磨损机理，得到任意接触状态下的磨损深度演化模型，磨损深度与磨损体积的关系为：
[0052][0053][0054]
其中，h为金属丝的磨损深度，v为磨损体积，r1、r2为金属丝直径，θ为金属丝之间的接触夹角，a0、a分别为金属丝的接触初始半径、磨痕半宽。
[0055]
步骤s4：通过等间距原则将单线匝微元区间叠加，建立金属橡胶宏观整体疲劳损伤的累积预测模型。
[0056]
将金属橡胶的连续疲劳循环过程进行离散化，如图6所示，即将整个循环过程按照
等间距原则离散化为多个微小区间，对每个区间内的参数进行平均化处理，取平均值后即可假设在每个微小区间内接触点的数量、接触参数保持稳定不变，将微动磨损预测模型应用在每个微小区间内后叠加获得到在整个循环过程中金属橡胶的磨损质量。
[0057]
将上述从数值模型模拟提取的内部接触点微动参数代入上式(2)和(3)中，将各个区间计算所得的磨损体积进行相加获得一个疲劳循环周期内整个构件的磨损体积，设置10000-90000共9个低周期循环疲劳试验，可得不同周期后金属橡胶构件内部接触点处的磨损体积的变化规律，如图7所示。最后通过概率统计数值模型宏观磨损体积累计综合判定金属橡胶的磨损是否超过疲劳失效的破坏准则，以此对金属橡胶进行寿命评估，并经过试验验证，结果较为可靠。
[0058]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。