[发明专利]一种基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法

权利要求书

1.一种基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1对待测铸件的凝固过程进行数值模拟以获取待测铸件的热应力场数据，根据热应力场数据及热裂判据确定热裂纹萌生位置；

S2建立包含热裂纹萌生位置的子模型，并确定该子模型中热裂纹萌生位置对应的扩展子步，在所述热裂纹萌生位置插入初始热裂纹以获得初始热裂纹形态；

S3根据子模型进行热裂纹扩展的预测，具体包括如下子步骤：

S31根据当前扩展子步对应的热应力场数据确定子模型边界条件；

S32根据子模型边界条件计算子模型的应力场分布，并根据应力场分布获得应力强度因子，再利用应力强度因子确定裂纹的扩展角度；

S33以所述扩展角度及预设的扩展增量对当前热裂纹形态进行热裂纹形态更新，并更新当前扩展子步；

S34重复步骤S31～S33直至完成预设扩展子步数的更新，以此完成铸造热裂纹扩展的预测，其中，当前扩展子步的起始值为热裂纹萌生位置对应的扩展子步，当前热裂纹形态的起始形态为初始热裂纹形态。

2.如权利要求1所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，所述热裂判据具体为：

其中，σ₁(t)为t时刻的第一主应力，为t时刻高温阶段固液两相区的等效应变，t为凝固过程中的某一时刻，函数max_t()表示取整个凝固过程中的最大值。

3.如权利要求1所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，步骤S2中，热裂纹萌生位置对应的扩展子步具体采用如下方式确定：以热裂纹萌生位置完全凝固的时刻对应的热应力场数据获取次数作为热裂纹萌生位置的扩展子步。

4.如权利要求1所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，步骤S2中，初始热裂纹优选为半椭圆形裂纹，该半椭圆形裂纹用三角形单元表示。

5.如权利要求1所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，步骤S31中，子模型的边界条件优选由步骤S1获得的凝固过程热应力场数据插值得到。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，步骤S32中，扩展角度采用如下公式计算：

其中，θ_c为扩展角度，K_I、K_II和K_III为应力强度因子。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，预设扩展子步数采用如下方式确定：以热裂纹萌生位置完全凝固时到待测铸件完全凝固时经过的热应力场数据获取次数作为预设扩展子步数。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于数值模拟的铸造热裂纹扩展预测方法，其特征在于，步骤S33中，以扩展角度及预设的扩展增量对当前热裂纹形态进行热裂纹形态更新具体为：根据扩展角度和预设的扩展增量使当前热裂纹最外围单元的各节点分别沿扩展角度对应的扩展方向推进预设的扩展增量，以此得到扩展后的裂尖位置，依次连接各扩展后的裂尖位置以获得扩展后的裂纹前沿，将扩展前的裂纹前沿、扩展后的裂纹前沿及各扩展方向围成的区域分割为三角形得到新的最外围单元，以此完成热裂纹形态的更新。