(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111457836.0 (22)申请日 2021.12.02 (71)申请人 江汉大学 地址 430056 湖北省武汉市沌口经济技 术 开发区新江大路8号江汉大 学 (72)发明人 方自强　彭松林　张良　 (74)专利代理 机构 武汉宇晨专利事务所(普通 合伙) 42001 代理人 李鹏 (51)Int.Cl. G06F 30/25(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于能量转化机制的单颗粒-靶板冲蚀 形貌预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于能量转化机制的单 颗粒‑靶板冲蚀形貌预测方法， 属于数值仿真预 测领域。 所述仿真预测方法包括： 建立冲蚀过程 接触力计算环节中单颗粒 ‑靶板间的法向、 切向、 滚动接触刚度表达式； 利用离散元方法仿真测量 冲蚀过程中单颗粒 ‑靶板间的法向、 切向碰撞能 量； 根据靶板吸收 的法向、 切向碰撞能量， 分别计 算单颗粒冲蚀过程中靶板因法向低周疲劳损伤 而损失的法向冲蚀磨损体积、 因耕犁 ‑断裂作用 而损失的切向冲蚀磨损体积； 基于单颗粒冲蚀过 程中靶板的法向、 切向磨损体积， 采用几何叠加 方法， 预测单颗粒 ‑靶板表面冲蚀磨损几何形貌。 本发明可有效预测不同入射角度下单颗粒 ‑塑性 金属靶板表面的冲蚀磨损形貌 。 权利要求书5页 说明书19页 附图9页 CN 114218843 A 2022.03.22 CN 114218843 A 1.一种基于能量转化机制的单颗粒 ‑靶板冲蚀形貌预测方法， 其特征在于， 所述仿真预 测方法包括： 步骤S1， 建立冲蚀过程接触力计算环节中单颗粒 ‑靶板间的法向、 切向、 滚动接触刚度 表达式； 步骤S2， 利用离 散元方法仿真测量冲蚀过程中单颗粒 ‑靶板间的法向、 切向碰撞能量； 步骤S3， 根据靶板吸收的法向、 切向碰撞能量， 分别计算单颗粒冲蚀过程中靶板因法向 低周疲劳损伤而损失的法向冲蚀磨损体积、 因耕犁 ‑断裂作用而损失的切向冲蚀磨损体积； 步骤S4， 基于单颗粒冲蚀过程中靶板的法向、 切向磨损体积， 采用几何叠加方法， 预测 单颗粒‑靶板表面冲蚀磨损几何形貌 。 2.根据权利要求1所述的一种基于能量转化机制的单颗粒 ‑靶板冲蚀形貌预测方法， 其 特征在于， 所述的步骤S1中： 将冲蚀过程接触力 计算环节中的所述颗粒假设为表面光滑的理想 刚性球体； 将靶板表 面假设为材质可变形的粗糙表面， 具有不同尺寸的可变形微凸体各向同性地分布于靶板接 触面上， 在冲蚀过程接触力计算环 节中， 将单颗粒 ‑靶板间的法向接触刚度Kns表示为： 其中， α 为幂指数系数； β 为常量系数； s≥1时， s为离散元仿真在当前 时步的序列编号； | Fn(s‑1)|为前一离散元仿真时步对 应的颗粒 ‑靶板间的法向接触力； Kn0为初始接触刚度； s＝0 时， s表示冲蚀过程中颗粒刚接触靶板表面时的序列编号， α 的取值范围为0.5 到1， 将切向接触刚度Kts表示为： 其中， CM表示为2(1‑ν )/(2‑ν )， CM取值在0至1之间； ν 为两 接触体的泊松比， 将滚动刚度Krolls表示为： 其中， croll为常量系数， r为颗粒半径， μroll为滚动摩擦系数。 3.根据权利要求2所述的一种基于能量转化机制的单颗粒 ‑靶板冲蚀形貌预测方法， 其 特征在于， 所述的步骤S2中： 将冲蚀过程中所述颗粒与所述靶板表面间的接触点Pc定义为： 其中， n为靶板表面的单位法向量， O为颗粒质点的位置 矢量。 步骤S2.1， 冲蚀过程中单颗粒 ‑靶板间的法向碰撞能量En由下式测得： 其中， vns为单颗粒相对于靶板在接触点Pc上的法向接触速度； vys为单颗粒相对于靶板权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114218843 A 2表面的法向运动速度； sT为单颗粒 ‑靶板冲蚀过程离散元仿真的总时步数量， 也可代表冲蚀 颗粒恰好离 开靶板的离散元仿真时步编号； △t为离散元仿真的时步长度； Fns为靶板抵抗单 颗粒冲蚀而产生的法向抵抗力， Fns表示为： 其中， 为第s个离 散元仿真时步中单颗粒 ‑靶板表面间的法向相对位移增量。 在接触点Pc处， 法向接触速度vns同法向运动速度vys相等， 步骤S2.2， 冲蚀过程中单颗粒 ‑靶板间的切向碰撞能量Et由下式测得： 其中， vts为冲蚀过程中颗 粒‑靶板间的切向接触速度， △t为离散元仿真的时步长度， vxs 为冲蚀过程中颗粒的切向运动速度， Fts为靶板抵抗单颗粒冲蚀而产生的切向作用力， 表示 为： 其中，△δts为第s个离散元仿真时步中单颗粒 ‑靶板间的切向相对位移增量； μs为颗粒‑ 靶板间的滑动摩擦系数， 为第s个离 散元仿真时步中单颗粒 ‑靶板间的切向相对位移。 vts为冲蚀过程中颗粒 ‑靶板间的切向接触速度， 表示 为： 其中， vxs为冲蚀过程中颗粒的切向运动 速度； ωs为冲蚀过程中颗粒相对于靶板的旋转 速度， 它表示 为： 其中， I为颗粒的转动惯量， Ms为冲蚀过程中颗粒 ‑靶板间的滚动阻尼， 表示 为： 其中，△γs为第s个离散元仿真时步中单颗粒相对于靶板表面的转动角 度增量， ηrolls 为滚动阻尼系数， γs为第s个离散元仿真时步中单颗粒相对于靶板表面的转动角度， 为 γs的导数， 表征第s个离散元仿真时步中单颗粒相对 于靶板表面的转动角速度， μroll为滚动 摩擦系数， Krolls为单颗粒 ‑靶板间的滚动刚度。 4.根据权利要求1所述的一种基于能量转化机制的单颗粒 ‑靶板冲蚀形貌预测方法， 其 特征在于， 所述的步骤S3中：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114218843 A 3