[发明专利]一种用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法

说明书

本公开提供了一种用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法，包括：设置初始无网格计算模型参数；生成虚拟粒子，用以施加边界条件；进行邻近粒子搜索；计算每一粒子的核函数、采用核梯度修正法计算核函数梯度值以及采用双线性JC本构方程计算内力；计算动量及能量变化率，并采用变光滑长度法更新粒子的光滑长度；进行时间积分，并输出金属冷喷涂的模拟结果。本公开用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法具有高精度，适用于高应变率下的金属冷喷涂模拟，计算稳定性高。

技术领域

本公开属于计算力学技术领域，更具体的涉及一种用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法。

背景技术

含多相、多介质的金属冷喷涂问题是高性能增材制造技术(3D打印)研究的热点问题，涉及运动界面、移动边界、大变形、大密度比等复杂特征。冷喷涂颗粒在与基板的超高速撞击作用下发生相变、破碎、结合甚至熔化，很难用基于网格的传统方法进行高效、可靠的数值模拟。传统的网格类方法通常基于动网格技术或嵌套网格技术来解决网格变形问题，然而当所研究问题的边界变形过大时采用这两种技术仍可能会产生网格畸变，此时通常利用网格重构来消除畸变的网格，然而网格重构必然会降低精度和增大计算量。为此人们提出了无网格方法，无网格方法不需要网格，因此不会遇到网格畸变的问题，能够自然追踪运动界面，在处理大变形及流固耦合问题时有着特殊优势。但是现有的无网格数值模型都不能很好的模拟金属冷喷涂问题，因此有必要提出适用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算模型。

2010年Li等人发展了一种用于模拟金属冷喷涂的SPH(smooth particlehydrodynamics，光滑粒子流体动力学)计算方法。其存在以下缺陷：

(1)该方法精度偏低，只有零阶精度；

(2)该方法使用Johnson-Cook本构模型，不适用于高应变率下的金属冷喷涂模拟；

(3)该方法采用固定光滑长度，在模拟大变形问题时稳定性差，同时加剧了数值模拟误差；

总之，该方法无法有效模拟多颗粒下的金属冷喷涂问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本公开的目的在于提出一种用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法，在SPH方法的基础上进行改进，用于解决以上技术问题的至少之一。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种用于模拟金属冷喷涂的无网格数值计算方法，包括：

设置初始无网格计算模型参数；

生成虚拟粒子，用以施加边界条件；

进行邻近粒子搜索；

计算每一粒子的核函数、核函数梯度值以及内力；

计算动量及能量变化率，并采用变光滑长度法更新粒子的光滑长度；

进行时间积分，并输出金属冷喷涂的模拟结果。

在一些实施例中，根据粒子的密度变化率更新粒子的光滑长度，具体关系式如下：

式中，h_i和ρ_i分别为粒子i的光滑长度及密度。

在一些实施例中，在计算每一粒子的核函数、核函数梯度值之后还包括：采用核梯度修正法对核函数的梯度进行修正，计算过程如下：