CN107655768A - 基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法 - Google Patents

基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及损伤模型参数标定领域，公开了一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，利用异形拉伸剪切试样将单轴拉伸载荷转化为纯剪切载荷，获取低应力三轴度下材料的剪切应力应变曲线；利用缺口拉伸试验将单轴拉伸转化为三轴拉伸，获取高应力三轴度下材料的三轴拉伸应力应变曲线；结合全尺寸有限元模拟，获取宽应力三轴度范围内材料的精确应力应变曲线，以及断裂应变随应力三轴度的演化关系，为损伤模型参数标定提供了试验基础。本发明不仅节省工作量还能大幅提高参数标定精度。

Description

基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法
技术领域
本发明涉及损伤模型参数标定技术领域，特别是涉及一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法。
背景技术
损伤模型是开展诸多工程数值模拟的基石，在材料加工、汽车耐撞性检验、高铁安全性测试、鸟撞飞机模拟等领域中都有广泛应用，能为材料和结构优化设计提供宝贵的技术参数和参考信息。但是，数值模拟的预测能力和可靠性很大程度上依赖于模型参数的准确性，因此必须对材料损伤模型参数进行细致地实验标定。
通过查阅教科书或参考文献得知，损伤模型参数标定的传统方法大多依赖于单轴压缩试验和扭转试验。大部分金属材料韧性很好，在单轴压缩下很难发生破坏，因而无法获取材料的断裂应变。而扭转试验需借助专门的扭转加载装置，装置搭建和试样加工均比较复杂。因此需要发明一种简单可靠、材料适用性广的获取低应力三轴度下材料力学响应的试验方法。缺口拉伸试验方法文献中已有报道。但传统方法在进行数据处理时，均假定断口处塑性体积不变，通过图像处理来获取断裂前后断口截面积变化进而计算试样断裂应变。由于断面参差不齐，图像处理误差很大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，以提高参数标定精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其包括如下步骤：
步骤1：对异形拉伸剪切试样施加轴向拉力，将单轴拉伸载荷转化为多个方向上的纯剪切载荷，获取低应力三轴度下材料的剪切力位移曲线；
步骤2：对缺口拉伸试样施加轴向拉力，将单轴拉伸转化为三轴拉伸，获取高应力三轴度下材料的三轴拉伸力位移曲线；
步骤3：利用准静态单轴压缩试验获取材料弹塑性变形过程中的应力应变曲线，结合材料弹塑性理论模型获取材料的弹塑性变形本构模型参数；
步骤4：利用步骤3中标定好的本构模型参数，进行全尺寸静态和动态有限元模拟，模拟中只考虑材料弹塑性变形而无需考虑断裂准则，获取拉伸剪切和缺口拉伸试验中试样的力位移曲线和应力应变曲线；
步骤5：将步骤4中模拟获取的力位移曲线与试验获取的相应力位移曲线进行对比，如果能够重合，表示本构模型参数准确，否则需要进一步优化；
步骤6：根据试验获取的力位移曲线判断试样的断裂时刻，进而输出相应时刻模拟中断口附近单元的平均断裂应变；
步骤7：利用已经得到的断裂应变和应力三轴度的关系，通过非线性拟合获取损伤模型中的参数；
步骤8：对比模拟和试验结果，如果模拟结果能够准确的预测试样的真实断裂应变，表示拟合参数准确，否则需要进一步进行优化。
其中，在步骤1和步骤2中，通过拉伸试验机施加轴向拉力。
其中，在步骤1和步骤2中，轴向拉力通过设于拉伸试验机内的力传感器测量，试样拉伸的位移通过引伸计测量。
其中，步骤1中，所述异形拉伸剪切试样为0度剪切试样和45度剪切试样，所述0度剪切试样和45度剪切试样均为板状试样。
其中，所述0度剪切试样沿其纵向相对两侧设有倾斜且平行的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的圆弧圆心位于所述0度剪切试样的纵向轴线上；所述45度剪切试样沿其纵向的相对两侧设有倾斜且相对的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的底部之间留有间距。
其中，所述缺口与其所在侧边的夹角为45度；所述0度剪切试样和45度剪切试样的板厚为1～2mm。
其中，所述缺口拉伸试样呈板状，沿其纵向相对两侧设有与其所在侧边垂直且相对设置的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的底部之间留有间距。
其中，步骤1中，低应力三轴度的范围为0～0.33。
其中，步骤2中，高应力三轴度的范围为0.4～1.1。
其中，步骤3中，材料弹塑性理论模型选择Johnson-Cook模型。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，通过异形拉伸剪切试样试样，能将单轴拉伸载荷转化为多个角度上的纯剪切载荷，可以避免扭转试验装置搭建和试样加工过于复杂的困难；利用全尺寸有限元模拟，只需简单的弹塑性本构模型参数(无需考虑应变率和温度效应)，再结合试验力位移曲线即可获取材料的精确应力应变曲线包括断裂应变，相比传统的图像处理方法，不仅节省工作量还能大幅提高参数标定精度。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法的技术路线图；
图2为本发明中0度剪切试样的设计示意图；
图3为本发明中45度剪切试样的尺寸设计示意图；
图4为本发明中0度剪切试样变形过程中的塑性应变分布图；
图5为本发明中45度剪切试样变形过程中的塑性应变分布图；
图6为本发明中缺口拉伸试样的设计示意图；
图7为本发明中缺口拉伸试样变形过程中的塑性应变分布图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其可以包括如下步骤：
步骤1：对异形拉伸剪切试样施加轴向拉力，将单轴拉伸载荷转化为多个方向上的纯剪切载荷，获取低应力三轴度(0～0.33)下材料的剪切力位移曲线；可以避免扭转试验装置搭建和试样加工过于复杂的困难；
步骤2：对缺口拉伸试样施加轴向拉力，将单轴拉伸转化为三轴拉伸，获取高应力(0.4～1.1)三轴度下材料的三轴拉伸力位移曲线；
步骤3：利用准静态单轴压缩试验获取材料弹塑性变形过程中的应力应变曲线，结合材料弹塑性理论模型，本发明实施例中，材料弹塑性理论模型选择Johnson-Cook模型获取材料的弹塑性变形本构模型参数；
步骤4：利用步骤3中标定好的本构模型参数，进行全尺寸静态和动态有限元模拟，模拟中只考虑材料弹塑性变形而无需考虑断裂准则，获取拉伸剪切和缺口拉伸试验中试样的力位移曲线和应力应变曲线；力、位移、应力、应变等参量均可通过单元历史变量直接记录并输出；
步骤5：将步骤4中模拟获取的力位移曲线与试验获取的相应力位移曲线进行对比，如果能够重合，表示本构模型参数准确，否则需要进一步优化；这相比传统的图像处理方法，不仅节省工作量还能大幅提高参数标定精度；通过上述方法即可获取宽应力三轴度范围(0～1.1)内材料的精确应力应变曲线；
步骤6：根据试验获取的力位移曲线判断试样的断裂时刻，进而输出相应时刻模拟中断口附近单元的平均断裂应变；通过上述方法即可获取断裂应变随应力三轴度的演化关系；
步骤7：利用已经得到的断裂应变和应力三轴度的关系，通过非线性拟合获取损伤模型中的参数；
步骤8：为检验所获模型参数的有效性，可以选择拟合参数中所没有采用的两种试验类型来对比模拟和试验结果，如果模拟结果能够准确的预测试样的真实断裂应变，表示拟合参数准确，否则需要进一步进行优化。
具体地，在步骤1和步骤2中，通过拉伸试验机施加轴向拉力，轴向拉力通过设于拉伸试验机夹头内的力传感器测量，试样拉伸的位移通过引伸计测量。加载力和试样位移均可遵照单轴拉伸试验标准进行精确测量，而这对获取精确的应力应变曲线至关重要。
步骤1中，如图2-5所示，所述异形拉伸剪切试样为0度剪切试样和45度剪切试样，所述0度剪切试样和45度剪切试样均为板状试样，本发明实施例取试样长度为230mm并允许有0.5mm误差，宽度为30mm并允许有0.2mm误差，具体标注尺寸见附图2和3；所述0度剪切试样沿其纵向相对两侧设有倾斜且平行的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，避免造成应力集中，且一对所述缺口的圆弧圆心位于所述0度剪切试样的纵向轴线上；所述45度剪切试样沿其纵向的相对两侧设有倾斜且相对的一对缺口，该对缺口的轴线在一条直线上，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，圆弧的半径取3mm并允许有0.05mm的误差，且一对所述缺口的底部之间留有间距。所述缺口与其所在侧边的夹角为45度；所述0度剪切试样和45度剪切试样的板厚为1～2mm，板厚可根据实验需求设定。图4和图5中显示按照图2和图3设计的拉伸剪切试样确实能把单轴拉伸载荷转化为0度和45度方向的纯剪切载荷，而且塑性变形只集中在剪切区。
如图6-7所示，所述缺口拉伸试样呈板状，板厚根据实验需求设定，一般为1～2mm，沿其纵向相对两侧设有与其所在侧边垂直且相对设置的一对缺口，该对缺口的轴线在一条直线上，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，避免造成应力集中，本发明实施例圆弧半径取6mm并允许有0.05mm的误差，具体标注尺寸见附图6，且一对所述缺口的底部之间留有间距。通过改变缺口半径可以获取不同的应力三轴度加载状态，塑性变形只集中在缺口区。
由以上实施例可以看出，本发明利用异形拉伸剪切试样将单轴拉伸载荷转化为纯剪切载荷，获取低应力三轴度下材料的剪切应力应变曲线；利用缺口拉伸试验将单轴拉伸转化为三轴拉伸，获取高应力三轴度下材料的三轴拉伸应力应变曲线；结合全尺寸有限元模拟，获取宽应力三轴度范围内材料的精确应力应变曲线，以及断裂应变随应力三轴度的演化关系，为Johnson-Cook、GISSMO等损伤模型参数标定(主要是应力状态对断裂应变的影响部分)提供了试验基础，不仅节省工作量还能大幅提高参数标定精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对异形拉伸剪切试样施加轴向拉力，将单轴拉伸载荷转化为多个方向上的纯剪切载荷，获取低应力三轴度下材料的剪切力位移曲线；
步骤2：对缺口拉伸试样施加轴向拉力，将单轴拉伸转化为三轴拉伸，获取高应力三轴度下材料的三轴拉伸力位移曲线；
步骤3：利用准静态单轴压缩试验获取材料弹塑性变形过程中的应力应变曲线，结合材料弹塑性理论模型获取材料的弹塑性变形本构模型参数；
步骤4：利用步骤3中标定好的本构模型参数，进行全尺寸静态和动态有限元模拟，模拟中只考虑材料弹塑性变形而无需考虑断裂准则，获取拉伸剪切和缺口拉伸试验中试样的力位移曲线和应力应变曲线；
步骤5：将步骤4中模拟获取的力位移曲线与试验获取的相应力位移曲线进行对比，如果能够重合，表示本构模型参数准确，否则需要进一步优化；
步骤6：根据试验获取的力位移曲线判断试样的断裂时刻，进而输出相应时刻模拟中断口附近单元的平均断裂应变；
步骤7：利用已经得到的断裂应变和应力三轴度的关系，通过非线性拟合获取损伤模型中的参数；
步骤8：对比模拟和试验结果，如果模拟结果能够准确的预测试样的真实断裂应变，表示拟合参数准确，否则需要进一步进行优化。
2.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，在步骤1和步骤2中，通过拉伸试验机施加轴向拉力。
3.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，在步骤1和步骤2中，轴向拉力通过设于拉伸试验机内的力传感器测量，试样拉伸的位移通过引伸计测量。
4.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，步骤1中，所述异形拉伸剪切试样为0度剪切试样和45度剪切试样，所述0度剪切试样和45度剪切试样均为板状试样。
5.根据权利要求4所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，所述0度剪切试样沿其纵向相对两侧设有倾斜且平行的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的圆弧圆心位于所述0度剪切试样的纵向轴线上；所述45度剪切试样沿其纵向的相对两侧设有倾斜且相对的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的底部之间留有间距。
6.根据权利要求5所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，所述缺口与其所在侧边的夹角为45度；所述0度剪切试样和45度剪切试样的板厚为1～2mm。
7.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，所述缺口拉伸试样呈板状，沿其纵向相对两侧设有与其所在侧边垂直且相对设置的一对缺口，所述缺口的底部通过圆弧过渡连接，且一对所述缺口的底部之间留有间距。
8.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，步骤1中，低应力三轴度的范围为0～0.33。
9.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，步骤2中，高应力三轴度的范围为0.4～1.1。
10.根据权利要求1所述的基于拉伸剪切和缺口拉伸试验的损伤模型参数标定方法，其特征在于，步骤3中，材料弹塑性理论模型选择Johnson-Cook模型。
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