CN114417666A - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
所述步骤6采用二维插值原理绘制等高线图上任意剖面的二维剖面轮廓线图。
本发明的有益效果是：
本发明基于有限元软件，采用SPH方法，建立了120-200颗颗粒冲击模型。该方法能够准确的得到加工工件的应力应变、颗粒撞击反弹速度与颗粒撞击力等数据，通过改变颗粒撞击角度获得不同的工件表面撞击形貌。仿真与实验误差可控制在20％以内。该方法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，从而也有助于研究磨料气射流抛光加工的材料去除机理。
与实验进行对比，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。
附图说明
图1为本发明实施例颗粒模型的三维立体图。
图2为本发明实施例氧化铝颗粒冲击(a)和氨基模塑料颗粒冲击(b)仿真模拟的模型图。
图3为本发明实施例氧化铝颗粒15°冲击角下由三维形貌图获取表面粗度轮廓线示意图。
图4为本发明实施例氧化铝颗粒30°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。
图5为本发明实施例氧化铝颗粒90°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。
图6为发明本实施例氨基模塑料颗粒30°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。
图7为发明本实施例氨基模塑料颗粒90°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。但本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-7所示。
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，包括以下步骤：
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，如图1所示。磨料颗粒的粒度为1.1mm-2.3mm；
步骤2：利用三维建模软件建立120-200颗颗粒冲击工件模型。对于氧化铝颗粒冲击模型，建立120颗颗粒。对于氨基模塑料颗粒冲击模型，建立200颗颗粒。颗粒冲击角度设置为15°-90°；如图2所示。
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；对于氧化铝颗粒冲击模型，颗粒采用一个网格划分，工件SPH粒子间距为0.15mm；对于氨基模塑料颗粒冲击模型，颗粒采用0.2mm六面体网格划分，工件SPH粒子间距为0.1mm。
步骤4：在步骤三所述有限元前处理软件中添加材料属性、设置边界条件、添加接触类型并提交求解计算。不同于传统有限元法的节点约束，加工工件的SPH模型采用虚粒子法约束SPH粒子边界。设置模拟颗粒速度为75m/s-220m/s对应于实验喷砂设备喷射压力为0.1MPa-0.5MPa。设置接触类型为节点到面接触。铝合金板材料采用JC本构材料模型；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失效标准的线弹性材料模型，材料失效标准采用最大主应力标准。材料参数如下表所示。
表1 JC材料模型参数
表2 JC失效模型参数
表3氧化铝磨料材料参数
表4氨基模塑料磨料材料参数
步骤5：根据仿真获取的工件表层SPH粒子坐标，利用三维插值原理绘制颗粒冲击仿真结果工件表面三维形貌图，如图3所示。
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利用二维插值原理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，设置对应的氧化铝颗粒冲击实验和氨基模塑料颗粒冲击实验。实验采用PS50三维形貌仪进行试样表面检测以获得实验颗粒冲击表面三维形貌。图4是氧化铝颗粒30°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比，图5是氧化铝颗粒90°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。图6是氨基模塑料颗粒30°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。图7是氨基模塑料颗粒90°冲击角下仿真与实验形貌图及表面粗度轮廓线对比。将仿真结果与实验结果进行对比，结果误差在20％以内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明并不局限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，仍然可以作一些局部修正或改变,这些都属于本发明的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而定。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种基于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:它包括以下步骤：
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5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。
2.根据权利要求1所述的基于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：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。
3.根据权利要求1所述的基于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：所述步骤5采用三维插值原理绘制工件表面三维形貌图。
4.根据权利要求1所述的基于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：所述步骤6采用二维插值原理绘制等高线图上任意剖面的二维剖面轮廓线图。
5.一种基于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：它适用于硬质磨料颗粒冲击和中软性磨料颗粒。
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