技术领域
[0001] 本
发明涉及计算机辅助技术领域，尤其是涉及一种高铬
铸铁冲蚀模拟方法及计算实现系统。
背景技术
[0002] 磨损是机械零件失效的主要形式之一，
磨料磨损相应占到材料磨损的50％。在磨料磨损中，低应
力冲蚀磨损又占到一定比例，低
应力冲蚀磨损广泛存在于现代工业生产中，如矿山、电厂等灰浆
泵过流部件和管道及
阀门的磨损。这些易损件在工作过程中不但承受固体粒子的冲蚀与切削作用，而且还要承受液体介质的
腐蚀作用或者高温的作用，工作环境极其恶劣，降低了这些耐磨件的使用寿命。因此，需要考察材料的冲蚀磨损性能、延长易损件的使用寿命，就需要进行冲蚀磨损的研究。
[0003] 数值模拟计算在材料冲蚀领域的研究在近些年取得巨大进步，因其计算准确、高效环保、节约成本的优点，正在不断的被应用更深的研究领域。目前采用显式动力学
软件对材料冲蚀磨损问题的研究多集中于颗粒属性、材料特性和外部条件对磨损的影响规律，并且所研究的材料多为硬度较小的材料，冲蚀速度多取较大值，这与实际生产过程中的工况速度有所差别。对于高硬度耐磨材料在低速下的冲蚀磨损问题的研究受困于计算机处理能力而难以取得进展。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种高铬铸铁冲蚀模拟方法及计算实现系统。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] 一种高铬铸铁冲蚀模拟方法，该方法以多分析步法对高铬铸铁进行冲蚀模拟，各分析步采用同一组颗粒的反复冲蚀模拟多组颗粒的冲蚀过程。
[0007] 进一步地，该方法包括以下步骤：
[0008] 1)创建靶板三维模型和颗粒三维模型，并加载材料模型和失效模型信息，以所述靶板三维模型模拟待冲蚀的高铬铸铁板；
[0009] 2)基于所述颗粒三维模型使用矩形阵列生产多个颗粒实体；
[0010] 3)创建一分析步，设定分析步参数，选择碰撞面与颗粒表面为主从面；
[0011] 4)对所述靶板三维模型和颗粒三维模型进行网格划分；
[0012] 5)随机获得冲蚀点坐标，进行一次冲蚀模拟，获得颗粒冲击靶板产生的
应力分布云图；
[0013] 6)以上一次冲蚀模拟后的靶板三维模型为
基础，重复步骤3)-5)，获得多次冲蚀模拟结果。
[0014] 进一步地，所述颗粒三维模型为球形颗粒三维模型。
[0015] 进一步地，所述分析步参数包括分析步步长、场输出参数、历史输出参数、相互作用参数以及靶板和颗粒的边界条件。
[0016] 进一步地，所述步骤4)中包括：对靶板有效碰撞区域进行网格加密。
[0017] 进一步地，所述步骤6)中，重复大于15次步骤3)-5)。
[0018] 一种用于高铬铸铁冲蚀模拟的计算实现系统，包括：
[0019] 模型创建模
块，用于创建靶板三维模型和颗粒三维模型，并加载材料模型和失效模型信息，以所述靶板三维模型模拟待冲蚀的高铬铸铁板；
[0020] 颗粒实体生产模块，用于基于所述颗粒三维模型使用矩形阵列生产多个颗粒实体；
[0021] 分析步设置模块，用于设定分析步参数；
[0022] 网格划分模块，用于对所述靶板三维模型和颗粒三维模型进行网格划分；
[0023] 冲蚀模拟模块，用于随机获得冲蚀点坐标，并调用分析步设置模块和网格划分模块进行冲蚀模拟，并以冲蚀模拟后的靶板三维模型更新存储至模型创建模块中；
[0024] 所述冲蚀模拟模块根据随机获得的不同冲蚀点坐标进行多次冲蚀模拟。
[0025] 进一步地，所述颗粒三维模型为球形颗粒三维模型。
[0026] 进一步地，所述分析步参数包括分析步步长、场输出参数、历史输出参数、相互作用参数以及靶板和颗粒的边界条件。
[0027] 进一步地，所述网格划分模块中，对靶板有效碰撞区域进行网格加密。
[0028] 与现有技术相比，本发明通过采用多分析步数据传递手段，创造性地解决了数值模拟研究耐磨材料在低速冲击状态下冲蚀磨损问题，具有以如下有益效果：
[0029] (1)传统模拟方法为一次性建立多组冲蚀颗粒，包含成千上百颗粒，导致每一步都需要对成千上百个颗粒进行运动方程求解，大大增加了运算时间和运算成本；而本发明通过多分析步计算手段，利用单组颗粒的反复冲蚀来模拟多组颗粒的冲蚀过程，降低了对计算机计算性能的要求，大大提高了计算效率，节约了大量时间，降低了研究成本；
[0030] (2)本发明直接分步计算整个冲蚀磨损过程，省去了初期确定冲击颗粒数目的过程，简化了研究过程；
[0031] (3)本发明中的材料失效模型参数来自文献实验数据，参数准确性高；
[0032] (4)本发明研究了高铬铸铁低速冲蚀磨损问题，为耐磨类材料的冲蚀数值模拟研究提供了一种新的研究手段。
附图说明
[0033] 图1为本发明的流程示意图；
[0034] 图2为
实施例中第一个分析步冲击后应力分布云图；
[0035] 图3为实施例中第二个分析步预定义场设置图；
[0036] 图4为实施例中第二个分析步冲击后应力分布云图；
[0037] 图5为实施例中第三个分析步冲击后应力分布云图；
[0038] 图6为实施例中第十七个分析步冲击后应力分布云图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0040] 本发明提供一种高铬铸铁冲蚀模拟方法，该方法以多分析步法对高铬铸铁进行冲蚀模拟，各分析步采用同一组颗粒的反复冲蚀模拟多组颗粒的冲蚀过程。如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0041] 1)创建靶板三维模型和颗粒三维模型，并加载材料模型和失效模型信息，以所述靶板三维模型模拟待冲蚀的高铬铸铁板，所述颗粒三维模型为球形颗粒三维模型；
[0042] 2)基于所述颗粒三维模型使用矩形阵列生产多个颗粒实体；
[0043] 3)创建一分析步，设定分析步参数，选择碰撞面与颗粒表面为主从面，所述分析步参数包括分析步步长、场输出参数、历史输出参数、相互作用参数以及靶板和颗粒的边界条件；
[0044] 4)对所述靶板三维模型和颗粒三维模型进行网格划分，包括对靶板有效碰撞区域进行网格加密；
[0045] 5)随机获得冲蚀点坐标，进行一次冲蚀模拟，获得颗粒冲击靶板产生的应力分布云图；
[0046] 6)以上一次冲蚀模拟后的靶板三维模型为基础，重复大于15次步骤3)-5)，获得多次冲蚀模拟结果。
[0047] 上述高铬铸铁冲蚀模拟可通过一计算实现系统，该计算实现系统包括：
[0048] 模型创建模块，用于创建靶板三维模型和颗粒三维模型，并加载材料模型和失效模型信息，以所述靶板三维模型模拟待冲蚀的高铬铸铁板；
[0049] 颗粒实体生产模块，用于基于所述颗粒三维模型使用矩形阵列生产多个颗粒实体；
[0050] 分析步设置模块，用于设定分析步参数；
[0051] 网格划分模块，用于对所述靶板三维模型和颗粒三维模型进行网格划分；
[0052] 冲蚀模拟模块，用于随机获得冲蚀点坐标，并调用分析步设置模块和网格划分模块进行冲蚀模拟，并以冲蚀模拟后的靶板三维模型更新存储至模型创建模块中；
[0053] 所述冲蚀模拟模块根据随机获得的不同冲蚀点坐标进行多次冲蚀模拟，且在每次启动时设置时间标记点。
[0054] 实施例
[0055] 本实施例基于ABAQUS实现上述模拟方法。
[0056] 步骤1：第一个分析步计算过程，具体步骤如下：
[0057] 步骤1-1：利用ABAQUS中前处理模块ABAQUS/CAE创建靶板和球形颗粒三维模型，靶板尺寸为2mm×2mm×0.3mm，球形颗粒尺寸为直径0.12mm，颗粒与靶板间距为0.02mm，生成两个part(部件)模型；
[0058] 步骤1-2：在property(属性)模块中定义材料模型类型和失效模型类型，材料模型选用Johnson-cook模型，填入材料力学参数和Johnson-cook模型中的相关系数，失效模型选取累积失效模型，定义失效参数；将已创建的材料模型和失效模型Assign(分配)到两个part(部件)模型生成两个section(截面)；
[0059] 步骤1-3：在两个part(部件)模型导入Assembly(装配)模块中装配生成两个instances(实体)，再使用矩形阵列生产多个球形颗粒，并输入随机的冲蚀点坐标；
[0060] 步骤1-4：在Step模块创建类型为Dynamic(动力学)，explicit(显式)的分析步Step-1，定义时间分析步步长为8E-7s；对Field output(场输出)与History output(历史输出)进行定义，interval(间隔)分别设置为20，200，在Field output(场输出)中设置“生死网格”，超过设定值的网格将被移除，并在Restart request(重启动要求)中对Step-1进行overlay(
覆盖)与time mark(时标)的设置；
[0061] 步骤1-5：在Interaction(相互作用)模块中先将颗粒定义为刚体，定义Interaction property(相互作用属性)中Tangential Behavior(切线运动)的Friction coefficient(
摩擦系数)值为0.1，Normal Behavior(正向运动)的pressure-overclouce(压力过载)为hard contact(硬
接触)；创建新的Interaction(相互作用)，定义为general contact(explicit)(一般接触显式)类型，contact domain(接触域)选择selected surface pairs(已选表面副)，并选择碰撞面与颗粒表面为主从面；
[0062] 步骤1-6：在Load(负载)模块中对靶板和颗粒的边界条件进行设置，首先创建一个靶板的boundary(边界)，靶板的边界条件设定为四侧面铰接固定，将靶板四周定义为Pinned(
铰链)约束，对所有固体颗粒创建一个boundary(边界)，施加UR1约束；创建颗粒的predefined field(预场)并定义velocity(速度)中U3值为40；
[0063] 步骤1-7：在Mesh(网格)模块中对靶板和颗粒进行网格划分，考虑冲击碰撞材料发生
变形以及接触面发生穿透，需要对靶板有效碰撞区域进行网格加密，采用全局布种手段，定义网格单元尺寸，选用显式3D应力六面体8
节点缩减积分单元(C3D8R)，能够有效的提高计算速度和控制沙漏；
[0064] 步骤1-8：在Job模块中创建一个作业，命名为restart-1，生成一个.INP文件，提交作业，进行模拟计算；
[0065] 步骤1-9：计算完成后可在Visualization(
可视化)模块中查看颗粒冲击靶板产生的应力分布云图，如图2所示；
[0066] 步骤2：第二个分析步计算过程，具体步骤如下：
[0067] 步骤2-1：复制上述的Model(模型)并重新命名；对Model attribute(模型属性)进行编辑定义，
[0068] 在Read data from job(读取来自工作的数据)中填写步骤1-8中所创建的作业restart-1，step name中填写Step-1，并勾选Restart from the end of step(重启动从步结束)；
[0069] 步骤2-2：从import(输入)中选择part导入步骤1-8中所生产.odb后缀的模型，选择靶板模型并命名为步骤1-1中靶板part模型相同的名称，选择overwrite part(重写部件)；
[0070] 步骤2-3：重复步骤1-2对靶板assign(分配)生成新的section(部件)，并在步骤1-3重新设置颗粒随机冲蚀点坐标值；
[0071] 步骤2-4：在步骤1-4增加新的分析步step-2，并定义其Field output(场输出)与History output(历史输出)；
[0072] 步骤2-5：在步骤1-6中重新设置靶板的boundary(边界)，设置与步骤1-6一致；增加新的predefined field(预场)，选择initial state(初始状态)，Job name填写步骤1-8中的作业名称restart-1，并勾选update reference configuration(更新有关配置)，如图3所示；
[0073] 步骤2-6：在Job模块中创建一个restart类型的作业，命名为restart-2，生成一个.INP文件，提交作业，进行模拟计算；
[0074] 步骤2-7：计算完成后可在Visualization(可视化)模块中查看第二个分析步计算过后的颗粒冲击靶板产生的应力分布云图，如图3所示；
[0075] 步骤3：第三个分析步计算过程，具体步骤如下：
[0076] 步骤3-1：复制上述的Model(模型)并重新命名；对Model attribute(模型属性)进行编辑定义，
[0077] 在Read data from job(读取来自工作数据)中填写步骤2-6中所创建的作业restart-2，step name中填写Step-2，并勾选Restart from the end of step(重启动从步结束)；
[0078] 步骤3-2：从import(输入)中选择part(部件)导入步骤2-6中所生产.odb后缀的模型，选择靶板模型并命名为步骤1-1中靶板part模型相同的名称，选择overwrite part(重写部件)；
[0079] 步骤3-3：重复步骤1-2对靶板assign(分配)生成新的section(部件)，并在步骤1-3重新设置颗粒随机冲蚀点坐标值；
[0080] 步骤3-4：在步骤1-4增加新的分析步step-2，并定义其Field output(场输出)与History output(历史输出)；
[0081] 步骤3-5：在步骤1-6中重新设置靶板的boundary(边界)，设置与步骤1-6一致；增加新的predefined field(预场)，选择initial stat(初始状态)e，Job name填写步骤2-6中的作业名称restart-2，并勾选update reference configuration(更新有关配置)，如图4所示；
[0082] 步骤3-6：在Job模块中创建一个restart类型的作业，命名为restart-3，生成一个.INP文件，提交作业，进行模拟计算；
[0083] 步骤3-7：计算完成后可在Visualization(可视化)模块中查看第三个分析步计算过后的颗粒冲击靶板产生的应力分布云图，如图5所示；
[0084] 步骤4：重复上述步骤，本实施例的重复次数共为17次，则得到第十七个分析步计算过后的颗粒冲击靶板产生的应力分布云图，如图6所示。
[0085] 统计计算时间，并与传统计算方法相比较，结果如表1，大大减少了计算时间。
[0086] 表1
[0087]模型类型 计算组数 计算时间
多分析步模型 17组 8877.4s
非多分析步模型 17组 74602.1s
[0088] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多
修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。
