[发明专利]一种大型铸锻件微缺陷工作应力评估方法

说明书

一种大型铸锻件微缺陷工作应力评估方法，利用超声波探测技术，获得大型铸锻件结构中缺陷的大小、位置和形状，建立起含缺陷大型铸锻件结构的计算模型，修正了对偶互易边界积分方程，在具有位移不连续方法仅要一个裂纹面离散的优势，又具有传统的对偶边界元法的通用性优势。在大型铸锻件结构应用中，只需要通过输入含缺陷大型铸锻件结构的计算网格模型，以及相应的材料参数，边界条件，单元类型，以及所关注区域，就可以得到相应的应力及应力强度因子，并进行显示分析。

技术领域

本发明涉及大型铸锻件工作应力评估领域，具体地涉及带有裂纹、夹砂等微缺陷的铸锻件工作应力评估。

背景技术

在重型装备领域，由于设备重大，受力状态复杂，很多关键零件采用铸锻方法制造，外形尺寸与壁厚比达到10-50，制造过程中经常在局部留下裂纹、夹砂等微小缺陷，在采用有限元法对含缺陷铸件进行工作应力计算时，因为特征尺寸差距很大，为保证计算结果收敛性，需要在缺陷位置分布大量的计算网格，尤其对含有大量微小缺陷的铸件，计算网格规模尤为庞大。此外，有限元方法自身计算应力精度比位移低一阶，应力计算往往通过对位移求导来获得，这会影响微缺陷应力计算的精度，后处理中往往需要对应力进行磨光处理，这就导致难以真实评估微缺陷在实际工况中对整体质量的影响。

如何通过有效的计算来评估这些微缺陷对整体机械性能的真实影响，已采取合理应对效措施，减少经济损失和潜在风险，保障设备的安全性是面临的难题。

边界元方法作为一种半解析的方法，在针对含有微缺陷的大型铸锻件结构时具有降维优势，并且位移与面力保持同样的计算精度，因而应力计算时不需要磨平处理就可以达到相当高的精度。边界元方法计算含有微缺陷的大型铸锻件结构时需要处理近奇异积分、奇异积分、以及缺陷前沿的位移和梯度应力模拟问题。这给边界元法模拟含有微缺陷的大型铸锻件结构带来了挑战。

目前在边界元范围内处理缺陷问题的对偶互易边界法是一种通用的方法，传统的对偶互易边界元法需要对裂纹上下面都进行离散配置，而引入张开位移作为未知量，只需要上裂纹面离散的又局限于裂纹面上不受力或者裂纹上下表面受力大小相等，方向相反情况。本发明将对对偶互易边界元法进行修正，保持了只要上裂纹面离散配置的优势，又能考虑到裂纹上下表面受力情况不一致的情况。此外，目前处理近奇异积分、奇异积分方案大部分针对形状比较规则的边界单元，然而在针对含有微缺陷的大型铸锻件结构，具有狭长结构的单元往往不可避免的，如果不进行特殊处理，计算结果就会失真。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种大型铸锻件微缺陷工作应力评估方法，能够有效提高大型铸锻件结构缺陷尖端位移、应力提高的精度，真实评估微缺陷在实际工况中对整体质量的影响。

为了实现上述目的，

所述评估方法包括：

步骤1：对大型铸锻件结构使用超声波探测技术，获得大型铸锻件结构中缺陷的大小、位置和形状，建立含缺陷的大型铸锻件结构的计算模型。

步骤2：针对含缺陷的大型铸锻件结构，采取网格离散。分别确定该结构的非缺陷边界及缺陷边界，采用对应的计算网格模型，合理确定计算网格数量、以及单元类型，以及缺陷尖端位移与应力特殊单元的配置。非缺陷边界网格离散个数N_T，缺陷边界网格个数为

步骤3：根据实际工况，输入铸锻件结构的材料参数：杨氏模量E、泊松比μ，剪切模量G，并添加位移、面力相应边界条件。

步骤4：建立相应的位移和面力边界积分方程：

步骤4-1：当配置点落在非缺陷边界：