一种热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法

本发明涉及基于复杂曲面几何结构的三维网格可控跨尺度离散模型的泛化离散与基于近场动力学热-力耦合作用的脆性破损数值预测方法，具体涉及一种热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法。

背景技术：

1、刀具加工过程中主要有微裂纹的生成、断裂、破损等失效形式，而热力耦合综合作用会加剧刀具的破损和失效。对此类失效形式的分析，主要是进行切削试验，而传统的切削试验伴随着实验周期长、成本高、精度低等一系列问题，为后续数据的提取和处理带来不便。随着科学技术的进步，近场动力学理论被提出并不断完善，近场动力学理论基于非连续性思想建模，根据求解空间积分方程描述物质点运动，其具有分子动力学与无网格化的优点，求解非连续性时不会带来奇异性、效率低和精度低等问题，避免了连续介质理论解决不连续性问题而导致的奇异性、效率低和精度低等问题，以及传统切削试验的实验周期长、成本高、精度低等一系列问题，在模型的计算上也具有很高的计算精度和计算效率。以往几何模型的离散通常只针对简单平面几何体，其主要离散方式是整体划分、尺度统一，且常采用人为划分单元网格的方法，这种方法在遇到具有复杂曲面几何结构的复杂曲面几何体，其效率低、耗时长等问题将突显出来。为此，专利cn115841027a公开了一种基于近场动力学复杂几何体破损微裂纹数值分析方法，可以很好地分析常规复杂几何体的微裂纹破损预测，但是当几何体是复杂曲面几何体、且受到热冲击和机械冲击载荷时，此方法无法凸显局部几何结构，无法分析热冲击和机械冲击载荷时的裂纹破损，并且在计算复杂几何结构时将遇到耗时长、效率低、精度差等问题；且当网格尺度不一致时，此方法完全不适用于任意的几何结构，无法分析变尺度网格情况下的破损预测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法。本发明能实现对任意复杂曲面几何体的近场动力学数值预测。

2、本发明的技术方案：一种热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法，包括下述步骤：

3、步骤1：对目标样本模型的局部区域进行局部离散处理，局部区域外的做全局离散处理；

4、步骤2：基于近场动力学理论的数值建模与分析对经步骤1离散后的目标样本模型进行预处理；

5、步骤3：定义近场动力学理论和近场动力学热传导理论的初始变量并赋初值，确定目标样本模型中物质点i的三维坐标，初始化作用力和初始化温度；

6、步骤4：分别计算出目标样本模型受力受热及非受力非受热下的初始加速度、速度、位移；

7、步骤5：根据物质点i的三维坐标，计算物质点i+1、物质点i-1的三维坐标；

8、步骤6：分别计算物质点i、i+1之间、物质点i、i-1之间相对位置的绝对值|ξ|0、|ξ|0’；

9、步骤7：判断|ξ|0与3倍全局精度的关系：若|ξ|0小于3倍全局精度，则以|ξ|0作为计算精度，|ξ|0的3倍作为物质点i的邻域范围；否则，|ξ|0’作为计算精度，|ξ|0’的3倍作为物质点i的邻域范围；

10、步骤8：计算受热区内任意物质点l与物质点i间相对位置的绝对值|ξ|il，并判断点物质l是否在邻域范围内，若物质点l在领域范围内，则计算，否则计算下一个受热区内物质点；

11、步骤9：引入目标材料的热导率ta和比热容cv，并根据|ξ|il计算出物质点i的温度，最后计算受热区域内其他物质点对物质点i引起的温度；

12、步骤10：根据近场动力学热传导理论，最终累加得出物质点i的温度ti；

13、步骤11：计算物质点j坐标，物质点j是以物质点i为圆心，3倍邻域范围hor为边长的立方体中的物质点；

14、步骤12：判断物质点j坐标是否在步骤7所述的邻域范围内：若在，则令物质点j的坐标编号，等于目标样本模型离散成的散点集中的、与该点j相对应的坐标编号；若不在，则令物质点j的坐标编号等于物质点i的坐标编号；

15、步骤13：分别计算i、j两点间相对位置ξij、相对位移ηij、相对位置的绝对值|ξ|ij、相对位移+相对位置的绝对值|η+ξ|ij；

16、步骤14：计算i、j两点间的平均温度，并引入热膨胀系数，根据近场动力学热力耦合理论，计算热力荷载综合作用下的体积缩减因子vr、标量函数u、合力f；

17、步骤15：计算物质点i最终加速度、速度、位移、形变量；

18、步骤16：分步输出物质点i最终形变量文件；

19、步骤17：用物质点i的最终形变量代替微裂纹数值进行matlab可视化分析。

20、前述的热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法，用于对复杂曲面几何结构，在热力耦合综合作用下运用近场动力学理论进行数值建模与脆性破损数值预测。

21、前述的热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法的步骤1中，对目标样本模型的复杂曲面体进行离散前，先对复杂曲面体进行离散区域划分，得到需要局部细化的局部区域和不需要局部细化的全局区域；计算局部区域与全局区域连接处的局部精度和全局精度的数学关系。

22、前述的热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法的步骤1中，离散处理包括下述步骤：

23、步骤1a：设置离散坐标系；

24、步骤1b：设置局部离散的中心点；

25、步骤1c：设置局部离散区域的区域半径；

26、步骤1d：分别设置局部离散区域的x、y、z三个方向的离散精度；

27、步骤1e：设置局部离散区域以外的全局离散精度；

28、步骤1f：设置离散后数据的输出路径，对目标样本模型进行离散化处理，得到数据文件；

29、步骤1g：对步骤1f的数据文件进行二次处理：在x、y方向做升序处理，在z方向做降序处理，得到重新生成的数据文件。

30、前述的热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法的步骤2中，预处理包括下述步骤：

31、步骤2a：对目标样本模型的复杂曲面体进行仿真分析，确定受力区域和受热区域，以及作用力大小和温度大小；

32、步骤2b：对重新生成的数据文件进行可视化处理；

33、步骤2c：基于受力和受热区域，对比可视化处理后的物质点，确定受力和受热的物质点区域，以及最终的作用力和温度的大小。

34、前述的热力耦合下复杂曲面体脆性破损数值预测方法的步骤3中，近场动力学理论和近场动力学热传导理论的初始变量包括：计算时间步长step、热导率ta、热膨胀系数tb、比热容cv、材料密度density、加速度a、速度v、位移s、弹性系数张量c、弹性模量k、相对位置绝对值ad、相对位置+相对位移的绝对值ap、伸长率s1、极限伸长率s0、标量函数u、体积缩减因子vr、温度t0、局部区域的平均温度t1、微元时间dt、x、y、z三向受力f1、f2、f3、定义文件与输出的文件名。

35、有益效果

36、与现有技术相比，本发明基于近场动力学热-力耦合模型实现热力荷载综合作用下复杂曲面几何体可控三维局部网格细化的泛化离散，建立复杂曲面几何体的近场动力学脆性破损数值预测的通用方法，实现不同区域之间不同精度的跨尺度网格划分，并对其进行脆性破损数值预测与分析；构建一套热力荷载综合作用下完整的近场动力学数值建模与数值预测的数值方法体系，实现对任意复杂曲面几何体的近场动力学数值预测方法。

37、本发明针对不同区域不同精度的复杂曲面几何体模拟其近场动力学热传导过程，首先在受热区域表面假设存在虚拟区域，通过虚拟区域向受热表面和其他区域进行传导，通过导入目标材料的热性能系数，模拟复杂曲面几何体近场动力学热传导过程，此方法可以有效地模拟热传导过程，不必用复杂的实验来提取温度数据，大大缩短温度实验周期，降低温度实验成本。

38、本发明利用一种基于三维网格可控跨尺度离散模型的近场动力学热-力耦合作用下复杂曲面体脆性破损数值预测方法，可以实现在ug软件中进行基于热力荷载综合作用下的复杂曲面几何体的泛化离散，建立基于近场动力学理论的脆性破损数值预测方法，为受到热力荷载综合作用且具有复杂微结构的刀具实现微裂纹的生成、破损、断裂等分析领域提供一种科学方法，并且此方法主要是利用计算机进行仿真实验，只需要设置相关的材料参数、网格划分、区域划定和仿真参数等，不仅能够准确对具有复杂微结构的刀具进行破损数值分析与预测，并且还能降低实验成本、缩短实验周期、提高实验精度。