基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法与流程

本发明属于材料加工工艺数值模拟的，涉及基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法。

背景技术：

1、金属构件淬火冷却过程涉及温度场、微观组织转变和应力应变场之间的复杂交互作用，准确预测热处理后的残余应力分布对于控制构件变形、防止开裂以及保证服役性能具有重要意义。计算机数值模拟技术通过将连续物理过程离散为有限数量的计算节点，利用热传导方程、晶粒长大动力学模型和弹塑性力学本构关系在时间轴上递推求解，已成为评估和优化热处理工艺的重要工具。具有盲孔和法兰盘结构的金属构件因其几何特征在空间上突变，不同区域的壁厚差异和半封闭内腔结构导致淬火介质流动与换热强度呈现强烈的非均匀性，这使得残余应力的预测面临比简单形状构件更大的技术难度。

2、现有技术中，对具有复杂几何特征构件的热处理残余应力预测通常采用有限元方法，将整个构件的外表面赋予统一的换热系数函数，该函数仅依赖于表面温度或淬火介质的特性参数。晶粒尺寸对屈服强度的贡献常通过经验公式在应力计算的初始阶段一次性设定，或在整个时间历程中使用与温度相关的屈服强度退化曲线而不考虑晶粒尺寸的动态演变。盲孔内腔等半封闭区域的换热边界条件通常简化为与开口处相同的对流条件，或通过人工设定常数折减因子处理。

3、上述技术方案存在的缺陷在于，统一的换热系数函数无法反映薄壁区域与厚壁法兰区域在淬火冷却速率上的本质差异，导致构件不同部位的温度历程计算值与实测值之间出现偏差。忽略晶粒尺寸在热处理高温阶段的长大过程，使得材料的局部屈服强度在整个冷却历程中保持不变或仅随温度变化，这与实际材料在淬火过程中微观组织不断演变的物理事实相悖，进而导致应力张量计算中塑性应变增量预测失真。对盲孔内腔采用恒定折减或等同于开口处的换热设定，未能刻画介质沿盲孔深度方向流动衰减的物理规律，造成盲孔孔底和孔壁换热系数与实际工况不符，影响了该区域残余应力的预测精度。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，包括：s1、获取带盲孔和法兰盘的金属构件三维几何模型并划分为有限元网格，将获取的构件初始温度场、初始晶粒直径分布和初始应力应变场映射至有限元网格节点，作为初始物理场。

2、s2、基于有限元网格节点，计算外表面各节点的局部特征厚度和盲孔内腔表面各节点的局部深径比，按局部特征厚度将外表面节点分为薄壁区节点和厚壁法兰区节点，并标记盲孔内腔表面节点。

3、s3、基于节点的划分结果，对薄壁区节点和厚壁法兰区节点分别施加由对应换热特性函数确定的薄壁和厚壁对流换热系数，对盲孔内腔表面节点用局部深径比的衰减函数修正基准换热系数，形成换热边界。

4、s4、在时间步长增量循环中，利用换热边界求解热传导方程，再根据当前温度和上一时间步的晶粒直径调用晶粒长大动力学方程，计算晶粒长大速率并进行时间积分，生成当前时间步的实时平均晶粒直径分布。

5、s5、将当前晶粒直径分布代入晶粒尺寸-屈服强度关系式，计算各节点的局部实时屈服强度，再结合热应变和弹塑性本构进行应力平衡迭代，得到当前时间步的应力张量。

6、s6、判断累积求解时间是否达到热处理总时长；若未达到，将当前时间步的当前温度分布、实时平均晶粒直径分布和应力张量作为下一时间步的初始条件，返回时间步长增量循环；若达到，则输出金属构件的三维残余应力分布和最终晶粒尺寸分布。

7、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：（1）本发明通过将构件外表面按局部特征厚度自动聚类为薄壁区与厚壁法兰区并差异化施加由反演标定的换热特性函数，同时以局部深径比的指数衰减函数修正盲孔内腔的对流换热系数，使换热边界条件的空间分布能够真实反映复杂几何特征对淬火冷却强度的局部影响。

8、（2）本发明在每个时间步内将温度场求解、晶粒长大动力学计算、晶粒尺寸-屈服强度更新及热弹塑性应力平衡迭代按同一时序串联执行，形成温度历程驱动的微观晶粒演变与宏观力学响应的实时内嵌迭代耦合，从而降低了传统分步解耦方法中因时间点不匹配引入的状态滞后误差。

9、（3）本发明通过将实时平均晶粒直径分布经晶粒尺寸-屈服强度关系式直接转化为随时间和空间变化的局部实时屈服强度，并将该屈服强度嵌入弹塑性本构模型的屈服判据，使得构件在淬火过程中因晶粒尺寸梯度导致的局部强度差异能够即时影响塑性应变增量和应力张量的演化。

10、（4）本发明在统一的时间步长增量循环框架下同步推进热传导、晶粒长大与应力平衡三类物理场的求解，使得最终晶粒尺寸分布与三维残余应力分布在同一时刻输出，保证了微观组织演变历史与残余应力形成历史在时间轴上的一致性。

1.基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述基于有限元网格节点，计算外表面各节点的局部特征厚度和盲孔内腔表面各节点的局部深径比，按局部特征厚度将外表面节点分为薄壁区节点和厚壁法兰区节点，并标记盲孔内腔表面节点，包括：

3.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述对薄壁区节点和厚壁法兰区节点分别施加由对应换热特性函数确定的薄壁和厚壁对流换热系数，包括：

4.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述对盲孔内腔表面节点用局部深径比的衰减函数修正基准换热系数，包括：

5.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述根据当前温度和上一时间步的晶粒直径调用晶粒长大动力学方程，计算晶粒长大速率并进行时间积分，生成当前时间步的实时平均晶粒直径分布，包括：

6.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述将当前晶粒直径分布代入晶粒尺寸-屈服强度关系式，计算各节点的局部实时屈服强度，包括：

7.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述结合热应变和弹塑性本构进行应力平衡迭代，得到当前时间步的应力张量，包括：

8.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，所述判断累积求解时间是否达到热处理总时长；若未达到，将当前时间步的当前温度分布、实时平均晶粒直径分布和应力张量作为下一时间步的初始条件，返回时间步长增量循环；若达到，则输出金属构件的三维残余应力分布和最终晶粒尺寸分布，包括：

9.根据权利要求1所述的基于微观组织演变的热处理残余应力预测方法，其特征在于，在时间步长增量循环中，包括以下耦合计算过程：