[发明专利]一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法

权利要求书

1.一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、对实际喷丸强化过程中，金属零部件表面受到弹丸流持续冲击的情况进行简化，使用ABAQUS平台建立球形弹丸冲击靶体的喷丸强化三维模型；

步骤2、使用Fortran编程语言编写基于位错密度演化的本构方程，同时，使用ABAQUS平台中的VUMAT用户子程序接口，将本构方程嵌入到喷丸强化三维模型的计算中，建立宏观应力应变场与微观位错密度、位错胞大小的联系；

步骤3、使用步骤1建立的喷丸强化有限元模型，模拟单个弹丸冲击靶体的过程，得到单个弹丸冲击靶体表面后留下的弹坑，测量出弹坑半径；

步骤4、使用MATLAB平台，根据弹坑的半径，计算出当喷丸覆盖率达到设定的值的时候单位面积内所需要的弹丸数量；

步骤5、使用Python编程语言产生随机数，在靶体上方的三维空间中生成对应喷丸区域内随机分布的弹丸，弹丸数量为单位面积内所需要的弹丸数量乘以喷丸区域面积，建立多丸粒随机分布的喷丸强化三维模型；

步骤6、使用ABAQUS/Explicit求解器分析弹丸流冲击靶体的过程，计算得到位错密度和位错胞尺寸分布，并用Python语言提取喷丸强化三维模型的计算数据，得到的位错密度沿深度的分布梯度和位错胞尺寸沿深度的分布梯度。

2.根据权利要求1所述的一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，其特征是，在步骤1中，所述的靶体的建模方法为，靶体中间的喷丸区域采用尺寸足够小的网格进行划分，并在靶体边缘添加无限单元。

3.根据权利要求2所述的一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，其特征是，在步骤2中，所述的基于位错密度演化的本构方程中，等效塑性应变增量的计算公式为：

式中，S为偏应力张量，σ^f为屈服强度，μ为拉梅弹性常数；

位错胞内部的位错密度增量Δρ_c和位错胞壁上的位错密度增量Δρ_w与等效塑性应变增量的关系为：

式中，α^*、β^*、k_c、k_w为与位错形成和湮灭有关的常数，n_c和n_w为与温度有关的参数，M为泰勒系数，b为最大伯格斯矢量，d为平均位错胞尺寸，f为位错胞壁占的体积分数，为参考剪应变率，Δt为采用ABAQUS/Explicit求解器计算有限元模型时的增量步中的时间增量；分别为时间增量Δt起始时刻的错胞内部的位错密度和位错胞壁上的位错密度；

总体位错密度ρ_total为：

ρ_total＝fρ_w+(1-f)ρ_c

式中ρ_c为错胞内部的位错密度，ρ_w为位错胞壁上的位错密度；

平均位错胞尺寸d为：

式中，K为与累积等效塑性应变有关的参数；

流动应力σ^f的表达式为：

式中，σ₁为与塑性应变无关的初始屈服应力，α和m为常数，G为材料的剪切模量。

4.根据权利要求3所述的一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，其特征是，在步骤4，所述的计算单位面积内所需要的弹丸数量的方法为：

设定一个覆盖率值，不断增加弹丸数量，直到计算出覆盖率的覆盖率结果大于等于设定值时，停止增加弹丸数量，并记录下弹丸的数量，对上述过程进行多次计算的结果，最终取平均值作为达到该覆盖率时单位面积内所需要的弹丸数量。

5.根据权利要求4所述的一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，其特征是，在步骤6中，用Python语言提取喷丸强化三维模型的计算数据得到的位错密度沿深度的梯度和位错胞尺寸沿深度的梯度的方法为：

在喷丸区域内生成数百条均布的沿深度方向的路径，并提取每条路径上的位错密度和位错胞尺寸的结果，计算它们的平均值，并将平均值作为最终的结果。