CN107967381A - 原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法 - Google Patents

原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法 Download PDF

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汪文虎
熊峰
熊一峰
蒋睿嵩
林坤阳
赵德中
崔康
靳淇超
朱孝祥
刘晓芬
绍明伟
刘钟
杨忠学
黄博
余恒
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Abstract

本发明公开了一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J‑C本构模型快速求解方法，涉及切削加工、材料本构等领域。该方法，基于实际切削实验和金属切削理论，以能够反映实际切削过程材料状态的数据为基础，结合遗传算法和有限元分析等手段，实现了对原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J‑C本构模型的快速求解；采用本发明的J‑C本构求解方法，实验工作量大大降低，模型求解周期大幅减小，所求解材料J‑C本构模型完全符合要求。

Description

原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解 方法
技术领域：
本发明涉及切削加工、材料本构等领域，具体为原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法。
背景技术：
原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料(简称TiB2/Al复合材料)是一种新型颗粒增强铝基复合材料。其增强相TiB2颗粒在铝基体材料中通过原位自生反应直接生成，与基体材料具有良好的相容性；颗粒尺寸细小(纳米和亚微米级)，外形圆整、无尖角，界面干净、无任何界面反应产物。这使得该材料具有高比强度、比模量，耐疲劳等特性，易于塑性成形和机械加工，在航空航天、汽车、电子等领域具有广泛的应用前景。
在材料切削加工研究中，有限元数值模拟技术发挥着越来越重要的作用。与理论和实验研究相比，有限元模拟方法能够做得更深刻、全面和细致。材料本构模型描述了材料流动应力与热力学状态之间的关系，是切削加工有限元模拟研究中不可或缺的前提条件。Johnson-Cook本构模型(J-C模型)能够反映材料变形过程中应变硬化、应变率强化和热软化效应，具有形式简单、系数少、适用性强等特点，是用于金属材料切削有限元研究较为理想的本构模型。
切削加工是一个大应变、高应变率、高温的过程，目前，J-C本构模型大多是通过分离式霍普金森压杆(SHPB)实验来确定，即分别通过准静态实验和动态的霍普金森杆实验共同确定求解J-C本构模型参数，实验工作量大，模型求解周期长。而且， SHPB实验得到的应变、应变率和温度一般都低于切削过程中的实际值，不能满足大应变、高应变率和高温的“三高特性”。
为此，有必要针对新型原位自生TiB2/Al复合材料提出一种快速、高效，且满足切削加工大应变、高应变率和高温特性的材料J-C本构模型快速求解方法，以满足切削加工研究领域对快速建立TiB2/Al复合材料本构模型的迫切需求。
发明内容：
针对上述问题，本发明提供了一种TiB2/Al复合材料J-C本构模型快速求解方法，该方法能够降低材料本构求解工作量，缩短模型求解周期，且求解的J-C模型能满足切削加工大应变、高应变率和高温特性，能够真实的反映切削加工过程中材料的弹塑性变化。
J-C本构模型如式1所示：
式中：σ——屈服应力(MPa)
ε——等效塑性应变(无量纲)
——应变率(s-1)
——参考应变率(s-1)
T——材料温度(℃)
T0——室温(℃)
Tmelt——材料熔点(℃)
其中，[A+B(ε)n]、分别为材料的应变强化效应、应变率强化效应和热软化效应。A表示材料屈服应力，B表示应变硬化常数，C表示应变率强化系数，m表示热软化系数，n表示应变硬化系数。A，B，C，m，n为J-C本构模型中待求解的5个未知参数，求解J-C本构模型的关键即求解(A，B，C，m，n) 参数数值。
原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法流程图如图1所示。本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1：对TiB2/Al复合材料进行直角切削实验，获得切削力数据，同时收集每组实验切屑。
步骤2：测量切屑厚度数据，同时将切屑进行金属镶样制作。如图2所示，以切屑金属镶样为基础，测量切屑几何特征参数：齿顶高h2、齿底高h1、齿间距d、齿顶角θ2、齿底角θ1。选择锯齿连续清晰的切屑进行参数测量，每组参数重复测量多次并取平均值作为参数测量值。
步骤3：基于步骤1测量的切削力数据和步骤2测量的切屑厚度数据，结合材料本身性能参数，以金属切削理论为指导，计算求解剪切角、剪切应力、温度、等效塑性应变、等效塑性应变率、流动应力变量值。其中，优选的计算过程中参考应变率取 10-3/s。
步骤4：基于上步骤求解得到的剪切角、等效塑性应变等变量值，以遗传算法为手段，以求解计算值与优化值之间的最小值作为优化目标，优化求解J-C本构模型参数。
步骤5：以有限元仿真软件为平台，建立TiB2/Al复合材料二维直角切削模型，并将步骤4所求解J-C本构模型输入仿真模型进行切削仿真，得到切削力仿真数据以及切削几何形态仿真数据。
步骤6：将步骤1、2测量的实际切削力、切屑几何形态数据与步骤5仿真得到切削力、切屑几何形态数据进行对比；如果切削力数据相对误差不超过所设定阈值，且切屑几何形态数据相对误差也不超过所设定阈值，则输出该组材料本构参数；否则，重复步骤4～6。
步骤7：求解得到原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型。
本发明的有益效果：本发明的原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法，基于实际切削实验和金属切削理论，以能够反映实际切削过程材料状态的数据为基础，结合遗传算法和有限元分析等手段，实现了对原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型的快速求解；采用本发明的J-C本构求解方法，实验工作量大大降低，模型求解周期大幅减小，所求解材料J-C本构模型完全符合要求。
以下结合具体实施案例，对本发明的内容做进一步详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通知识和惯用手段做出的各种替换或者变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明：
图1：原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法流程图
图2：实施例中切屑几何特征参数测量图
图3：实施例中TiB2/Al复合材料Abaqus有限元仿真模型
具体实施方式：
下面结合一个具体实施案例，对本发明提供的原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法做进一步说明。
本实施案例的TiB2/Al复合材料J-C本构模型快速求解方法，包括以下主要技术措施：
(1)切削实验：首先采用PCD车刀进行TiB2/Al复合材料直角切削实验。实验采用正交实验，具体因素水平如表1所示。实验过程中测量切削力数据(切削方向力数据Fx，进给方向力Fy)，并收集切屑。本实施案例选用车刀前角γ＝0°，后角α＝10°，刃倾角λ＝0°，刀尖圆弧半径r＝0.6mm。
表1.正交切削实验因素水平表
(2)切屑数据测量：用螺旋测微器对每组切削参数下的切屑厚度进行测量，测量操作重复3次并取平均值作为该组参数下切屑厚度值h0。测量结束后，将切屑制作金相镶样试件，并如图2所示测量切屑几何特征参数值(齿顶高h2、齿底高h1、齿间距 d、齿顶角θ2、齿底角θ1)。
(3)计算等效应变、剪切应力等中间变量参数值。其中，计算过程中所需要的材料参数及待求变量计算公式分别如表2所示：
表2.材料参数及变量计算公式
(4)以Matlab为平台，基于步骤3计算得到的等效塑性应变ε，等效塑性应变率温度T，剪切应力τshear等值，优化求解如式2所示：
求解得到的参数(A，B，C，m，n)值即为TiB2/Al复合材料J-C本构模型参数。
(5)以Abaqus有限元分析软件为平台，建立如图3所示切削仿真模型。将步骤 4所求TiB2/Al复合材料J-C本构模型导入Abaqus有限元分析软件中，并进行TiB2/Al 复合材料切削仿真分析，得到切削力仿真数据以及切屑几何特征参数仿真数据。
(6)将步骤5仿真得到切削力、切屑几何特征参数数据与步骤1、2测量得到的实际切削力、切屑几何特征参数进行对比。如果切削力数据相对误差不超过20％，且切屑几何形态数据相对误差不超过25％，则输出该组材料本构参数值(A，B，C，m， n)；否则，重复步骤4～6。
(7)输出求解得到的TiB2/Al复合材料J-C本构模型参数值(A，B，C，m，n) 如表3所示。本案例最终求解得到的TiB2/Al复合材料J-C本构模型如式3所示：
表3.本案例所求TiB2/Al复合材料J-C本构模型参数数值

Claims (2)

1.一种原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对TiB2/Al复合材料进行直角切削实验，获得切削力数据，同时收集每组实验切屑；
步骤2：测量切屑厚度数据，同时将切屑进行金属镶样制作，测量切屑几何特征参数：齿顶高h2、齿底高h1、齿间距d、齿顶角θ2、齿底角θ1；
步骤3：基于步骤1测量的切削力数据和步骤2测量的切屑厚度数据，结合材料本身性能参数，以金属切削理论为指导，计算求解剪切角、剪切应力、温度、等效塑性应变、等效塑性应变率、流动应力变量值；
步骤4：基于步骤3求解得到的变量值，以遗传算法为手段，以求解计算值与优化值之间的最小值作为优化目标，优化求解J-C本构模型参数；
步骤5：以有限元仿真软件为平台，建立TiB2/Al复合材料二维直角切削模型，并将步骤4所求解J-C本构模型输入仿真模型进行切削仿真，得到切削力仿真数据以及切削几何形态仿真数据。
步骤6：将步骤1、2测量的实际切削力、切屑几何形态数据与步骤5仿真得到切削力、切屑几何形态数据进行对比；如果切削力数据相对误差不超过所设定阈值，且切屑几何形态数据相对误差也不超过所设定阈值，则输出该组材料本构参数；否则，重复步骤4～6；
步骤7：求解得到原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型。
2.一种如权利要求1所述的原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料J-C本构模型快速求解方法，其特征在于，所述步骤3的计算过程中，优选的参考应变率取10-3/s。
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