[发明专利]一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法

权利要求书

1.一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)：根据榫槽模型对称性建立半榫槽模型，并利用高应变率本构模型赋予结构弹塑性材料属性；所述榫槽模型对称性是指榫槽在涡轮盘上分布呈周期性对称，同时单一榫槽结构具有平面对称的特性；所述半榫槽模型是指单一榫槽结构关于径向对称的半结构模型，相比完整榫槽模型能够减小后续计算量；所用本构模型反映应变率下材料的应力应变行为；

步骤(2)：针对步骤(1)建立的半榫槽模型进行网格划分，并针对激光冲击区域进行局部网格加密；所述网格划分是指针对整体半榫槽模型直接布种、分网，建立基础粗糙网格；所述网格加密是指针对激光冲击区域，为保证有限元模拟过程中对压力、动态加载的求解精度，在冲击表面及预定深度的区域建立精细网格；

步骤(3)：基于有限元精细网格部分进行曲面离散，将曲面近似成平面集合，并计算平面中心点及法向；所述曲面离散是指对激光冲击区域表面的曲面结构进行分割，得到多个子曲面的集合，这些子曲面近似转化成平面不会影响整体集合的几何特性；所述基于有限元精细网格是指针对步骤(2)中细化的精细网格，基于此进行反映几何特性的曲面离散，保证计算精度、避免计算冗余；

步骤(4)：考虑实际工艺情况，编写子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算；所述实际工艺情况是指真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，包括峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，其中峰值压力指激光冲击到平面所产生的等效峰值压力，光斑尺寸是指激光器出口激光尺寸；所述冲击压力计算是指考虑激光入射角度影响、利用压力时空分布曲线及Fabbro公式将激光等效转化为压力；所述子程序是用于对冲击区域每一时刻每一位置分别进行压力定义；

步骤(5)：对步骤(4)中定义具体压力加载的半榫槽模型进行动态分析和静态回弹求解，获取榫槽结构激光冲击强化之后的残余应力场；所述动态分析是指基于前述建立的半榫槽模型，采用显示直接积分动态分析法计算材料弹塑性变形；所述静态回弹是指基于动态分析结果，去除材料塑性特性的隐式静态分析，加速残余应力场的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(3)中基于有限元网格的曲面离散方法，相应的离散方法是通过对inp数据文件进行读取，获取曲面表面全部节点的坐标，进一步计算获得所有平面中心及法向。

3.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(4)中进行的压力加载，利用空间几何关系确定受冲击平面、并考虑激光入射角度进行压力加载定义，以平面集合的方式等效定义曲面所受压力。

4.根据权利要求1所述的一种考虑曲面形状的涡轮榫槽激光冲击强化数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(4)中考虑真实榫槽结构在进行激光冲击强化处理的工艺过程情况，利用Fortran语言编写VDLOAD子程序定义激光峰值压力、脉冲宽度、光斑尺寸、搭接率、激光法向、冲击路径，对离散后的平面进行冲击压力计算，并编写程序根据时间关系进行加载，压力计算采用的是Fabbro公式，其表达式如下：

其中为等效冲击压力，单位为GPa；α为内能中热能占比；Z为折合声阻抗，单位g/(cm²·s)，通过靶材声阻抗Z₁和约束层声阻抗Z₂计算得到，公式如下：

I₀为激光功率密度，单位GW/cm²，通过激光能量E、脉冲宽度τ、光斑面积S计算得到，公式如下：

通过空间几何关系判断受到冲击的平面，利用激光向量与平面法向进行计算，得到入射角度θ，考虑斜入射激光冲击的功率密度衰减，计算得到子平面所受到的压力P，折算公式如下：