一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法

本发明提出一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法，属于喷丸数值模拟领域，适用于航空、航天、民航领域内大型平面靶材在网格数量大、工艺条件复杂的喷丸过程有限元模拟，但仅适用于采用球形弹丸的喷丸工艺。

背景技术：

1、喷丸强化是弹丸流不断地冲击金属材料表层并使表层(0.1～0.7mm)材料发生循环塑性变形，从而形成变形强化的过程。经过喷丸循环塑性变形的表层，其材料的组织结构发生变化、亚晶粒极大细化，位错密度增高，晶格畸变增大；形成很高的宏观残余应力，表面粗糙度和表面形貌也都发生显著变化，使材料表面性能得到强化。具有高适应性、高通用性、高生产效率以及合理的设备费用、低能量要求等优点，广泛用于航空、航天及民航领域。

2、喷丸强化过程中残余应力场的大小和分布主要受喷丸强化工艺参数和材料性能的影响，但喷丸强化工艺参数间彼此制约，很难通过实验确定各因素对残余应力场的影响，因此使用数值模拟的方法来模拟残余应力场可以动态显示不同工艺条件下弹丸和靶材之间的复杂相互作用，并基于模拟结果给喷丸工艺优化提供准确指导。

3、现有喷丸强化模拟的弹丸模型多采用随机分布模型和阵列分布模型，其中阵列分布模型由于其将弹丸生成先后位置简单视为交错堆叠的规则模型而忽略了弹丸生成位置的随机性。而随机分布模型是将弹丸生成位置随机化，每个弹丸的生成位置相互独立的，并未考虑相继入射弹丸间的碰撞现象，不能很好地反映出实际喷丸过程弹丸的高度复杂的碰撞作用。

4、目前，喷丸模拟弹丸分布的传统模型因其各自局限性制约了多弹丸喷丸模拟在航空、航天及民航领域的大规模应用，限制了喷丸仿真模拟领域的发展。

技术实现思路

1、鉴于背景技术的局限性，本发明提出一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法。考虑了喷丸过程弹丸之间的碰撞作用，该方法是在弹丸随机生成算法的基础上引入概率函数，该函数通过评估弹丸撞击靶材形成弹坑之间的交叠程度，来反映弹丸之间相互碰撞的程度，从而调整弹丸生成的概率，能够一定程度上模拟出真实情况下喷丸过程弹丸间相互碰撞的现象。

2、该发明的技术流程如图1所示，具体方案为：

3、一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法，假设单个弹丸只撞击靶材一次，弹丸球心坐标由随机函数计算得到，且保证任意相邻两弹丸不发生干涉，对于弹丸垂直入射，弹丸球心位置坐标满足如下函数：

4、

5、

6、zi＝(h+r)+4nr*random(0，1)

7、对于弹丸非垂直入射，弹丸球心位置坐标满足如下公式：

8、

9、zi＝(h+r)+4nr*random(0，1)

10、

11、其中式中，l1，l2，h分别为平面靶材的长度、宽度及高度，(xi，yi，zi)表示第i个弹丸坐标，lac为平面靶材分析区域长度，lrz表示为平面靶材约束区域长度，n为弹丸总个数，random(0，1)，表示区间[0，1]之间的随机数，θ表示弹丸与平面靶材之间的夹角。

12、弹丸生成位置除了受随机函数控制外，也受到概率函数调控，概率函数如下：

13、

14、其中式中，表示相邻两弹坑中心之间距离，φ表示弹坑直径，为一常数，先由随机函数先后生成两个弹丸记为n和m，两弹丸冲击靶材表面留下两个弹坑，弹坑间距为当时表明两弹丸发生碰撞，此时撤回弹丸m并重新生成，若两个弹坑中心的间距为弹坑直径，即如果此时的弹丸生成概率p(φ)＝98％，则难以反映出喷丸碰撞的高度随机性，由于喷丸过程弹丸撞击靶材产生的回弹效应导致后入射弹丸势必会与先入射弹丸发生碰撞，若此时p(φ)设定过高，相邻弹坑依旧呈现高度交叠的分布状态。经过多次模拟与调试，确定当时p(φ)为85％时能得到较为良好的弹丸分布，将时，p(φ)＝85％代入概率函数中得出λ=ln0.15，如果第m个弹丸与第n个弹丸产生弹坑间距在0到φ之间，则第m个弹丸是否产生由概率函数判断。

15、步骤1：在有限元分析软件中建立局部区域的平面靶材有限元模型，将平面靶材中心区域划分成研究区(分析喷丸强化后的靶材应力分布和表面粗糙度等信息)和弹丸限制区(约束弹丸的生成边界)，并约束靶材四个侧面及底面的法向位移。

16、步骤2：在研究区域中引入特定工艺参数下的弹丸概率随机分布模型，建立弹丸束流。研究区域中弹丸的入射速度由经验公式获得，将每一个生成的弹丸与研究区域进行接触设置。

17、步骤3：将有限元模型提交运算，运算之后将有限元模型的平面靶材应力模拟结果作为初始条件重新赋予到步骤1中提交运算的平面靶材模型上进行静力学分析，完成特定工艺条件下的喷丸模拟。

18、步骤4：打开静力学分析步运算后的有限元模型，在模型中沿靶材深度方向提取研究区域每一层单元的平均残余应力值，将喷丸模拟之后的残余应力结果导出并绘制应力-深度分布曲线。

19、步骤5：采用铸钢丸喷丸机，对平面靶材进行与模拟过程相一致的喷丸工艺进行喷丸处理。

20、步骤6：对引入概率随机函数的多弹丸喷丸有限元模型进行实验验证，对步骤5中的平面靶材使用x射线衍射加电解剥层法测得经喷丸后沿靶材深度方向的残余应力值、压应力影响深度、最大压应力深度等数据并与模拟得出的结果比较。

21、本发明的有益效果为：首先，该发明考虑了喷丸过程弹丸之间的相互碰撞作用，比弹丸随机分布有限元模型能一定程度上考虑多弹丸之间的碰撞作用。其次，引入概率函数得出了合理的常数λ和p(φ)，使模拟出的应力趋势与实验检测的应力分布趋势具有良好的一致性。在平面靶材的喷丸强化模拟中采用弹丸概率随机分布模型能得到良好的弹坑分布效果以及与实际喷丸过程基本吻合的残余应力分布，根据模拟结果反向优化喷丸过程各项参数可得出最优喷丸实施方案，最终提升喷丸靶材的成品质量，创造更高的经济效益。

技术特征：

1.一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法，其特征在于步骤2中，假设弹丸在空间中以特定角度撞击靶材一次，弹丸初始生成位置由随机函数控制，相邻弹丸间生成概率由概率函数控制，建立的概率函数为：

技术总结本发明公开了一种平面靶材弹丸概率随机分布的多弹丸喷丸模拟方法，适用于航空、航天、民航领域内大型平面靶材喷丸模拟领域，该方法针对喷丸模拟时难以考虑弹丸间相互碰撞的问题，提出一种弹丸概率随机分布模型。该模型对喷丸模拟时每个弹丸冲击表面形成的弹坑中心位置间距进行评估，评估结果决定了弹丸间干涉发生的概率，相较于随机弹丸模型，本文提出的方法考虑了弹丸间的碰撞作用；利用X射线加电解剥层方法对喷丸参数为0.71mm直径铸钢丸，喷丸气压0.15MPa，弹丸入射角度75°喷丸后的钛合金平面靶材进行应力测试并与模拟结果进行对比，验证结果表明该模型应力预测具有良好的准确性。技术研发人员：魏艳红,孔庆东,刘湘波,韩海波,龙祥麟,孔英杰受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29