CN109238855A - 本构参数、动态失效参数的获取和验证方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法及装置,所述方法包括:对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取铝合金材料的准静态应力‑应变曲线;获取铝合金材料在不同应变率下的动态应力‑应变曲线;根据准静态应力‑应变曲线和动态应力‑应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;对铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定铝合金材料的动态失效参数;根据本构参数和动态失效参数进行仿真计算,验证铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性,可以模拟铝合金材料的准静态应力‑应变、动态应力‑应变,再获取铝合金材料的本构参数以及动态失效参数,最后对本构参数和动态失效参数进行验证。
Description
技术领域
本发明实施例涉及列车技术领域,尤其涉及一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法及装置。
背景技术
高速列车对我国的经济发展起到了巨大的推动作用。对于高速列车等交通工具来说,撞击现象一直是一个极其重要和不可回避的问题。近年来,随着高速列车数量迅速增加和行驶速度的不断提高,使得碰撞问题越来越突出,迅速增加的碰撞事故会造成重大人身伤亡和财产损失,耐撞性能已成为高速列车等结构设计时首要考虑的问题。在针对高速列车的有关研究中,冲击与碰撞载荷下高速列车车头的变形吸能与冲击防护是一个重要课题。
其中,较为广泛采用的吸能装置结构为铝合金金属结构,目前针对铝合金金属结构的吸能研究也比较广泛。铝合金作为金属材料的一种,在当前我国的高铁车身中有广泛的应用,如CRH3型列车。选择铝合金作为车体材料,不仅仅因为其在结构吸能指标方面满足了设计要求,更主要的是因为相较于钢,铝合金具有更高的比强度,可以大大的减轻车身的自重。
然而,现有方案中,缺少对其本构模型及动态失效参数的研究,进而影响对铝合金材料的吸能性能研究,影响高铁车头的结构设计。
发明内容
本发明实施例提供了一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法及装置,可以模拟铝合金材料的准静态应力-应变、动态应力-应变,再获取铝合金材料的本构参数以及动态失效参数,最后对本构参数和动态失效参数进行验证。
第一方面,本发明实施例提供一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法,包括:
对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;
获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;
根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;
对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;
根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
在一个可能的实施方式中,所述对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线,包括:
采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;
采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;
采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
在一个可能的实施方式中,所述获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线,包括:
采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
在一个可能的实施方式中,所述根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数,包括:
对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
在一个可能的实施方式中,所述对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数,包括:
选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;
根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;
选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
第二方面,本发明实施例提供一种本构参数、动态失效参数的获取和验证装置,包括:
准静态应力-应变获取模块,用于对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;
动态应力-应变获取模块,用于获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;
本构参数获取模块,用于根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;
动态失效参数获取模块,用于对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;
验证模块,用于根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
在一个可能的实施方式中,所述准静态应力-应变获取模块,具体用于采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
在一个可能的实施方式中,所述动态应力-应变获取模块,具体用于采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
在一个可能的实施方式中,所述本构参数获取模块,具体用于对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
在一个可能的实施方式中,所述动态失效参数获取模块,具体用于选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
本发明实施例提供的本构参数、动态失效参数的获取和验证方案,对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性,可以模拟铝合金材料的准静态应力-应变、动态应力-应变,再获取铝合金材料的本构参数以及动态失效参数,最后对本构参数和动态失效参数进行验证。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供涉及的扁平状试样连接方式的示意图;
图3为本发明实施例提供一种本构参数、动态失效参数的获取和验证装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明,实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例提供的一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法的流程示意图,如图1所述,该方法具体包括:
S101、对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
具体地,采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
S102、获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线。
具体地,采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
参照图2,在本实施例中,摒弃了现有的扁平状试样连接方式,采用卡套连接方式,其中,试样的厚度为2mm。
S103、根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数。
具体地,对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
S104、对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
具体地,选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
在本实施例中,采用高速DIC技术获取试样的动态失效应变。
S105、根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
具体地,利用高速列车车体用铝合金型材的侵彻试验来进行材料参数的验证。利用高速摄影实时拍摄子弹侵彻板材的全过程,获得了侵彻过程中铝合金板材的实时破坏形貌及破坏过程,为数值计算与实验结果的对比提供了素材。同时,可以对高速摄影的图片进行DIC分析,获得子弹的出靶剩余速度。
针对上述方法获得的铝合金Johnson-Cook模型动态本构参数及动态失效应变参数,代入DYNA软件进行同种工况的数值仿真计算,通过破坏形貌及子弹剩余速度两方面的对比分析,验证材料动态本构参数及失效应变的准确性。
本发明实施例提供的本构参数、动态失效参数的获取和验证方案,对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性,可以模拟铝合金材料的准静态应力-应变、动态应力-应变,再获取铝合金材料的本构参数以及动态失效参数,最后对本构参数和动态失效参数进行验证。
图3为本发明实施例提供一种本构参数、动态失效参数的获取和验证装置的结构示意图,如图3所示,该装置具体包括:
准静态应力-应变获取模块301,用于对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;
动态应力-应变获取模块302,用于获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;
本构参数获取模块303,用于根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;
动态失效参数获取模块304,用于对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;
验证模块305,用于根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
可选地,所述准静态应力-应变获取模块301,具体用于采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
可选地,所述动态应力-应变获取模块302,具体用于采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
可选地,所述本构参数获取模块303,具体用于对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
可选地,所述动态失效参数获取模块304,具体用于选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
本发明实施例提供的本构参数、动态失效参数的获取和验证方案,对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性,可以模拟铝合金材料的准静态应力-应变、动态应力-应变,再获取铝合金材料的本构参数以及动态失效参数,最后对本构参数和动态失效参数进行验证。
专业人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种本构参数、动态失效参数的获取和验证方法,其特征在于,包括:
对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;
获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;
根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;
对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;
根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线,包括:
采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;
采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;
采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线,包括:
采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数,包括:
对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
ε1=ε
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数,包括:
选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;
根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;
选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
6.一种本构参数、动态失效参数的获取和验证装置,其特征在于,包括:
准静态应力-应变获取模块,用于对铝合金材料进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线;
动态应力-应变获取模块,用于获取所述铝合金材料在不同应变率下的动态应力-应变曲线;
本构参数获取模块,用于根据所述准静态应力-应变曲线和所述动态应力-应变曲线拟合获得铝合金材料的本构参数;
动态失效参数获取模块,用于对所述铝合金材料在试验时所产生的断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数;
验证模块,用于根据所述本构参数和所述动态失效参数进行仿真计算,验证所述铝合金材料的本构参数和失效应变的准确性。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述准静态应力-应变获取模块,具体用于采用线切割处理所述铝合金材料,得到所述铝合金材料的试样;采用对砂纸对所述试样的表面以及边角进行打磨,以及去掉所述试样线切割的影响区;采用静态材料试验机MTS810对处理后的试样进行准静态拉伸实验,获取所述铝合金材料的准静态应力-应变曲线。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述动态应力-应变获取模块,具体用于采用霍普金森杆全自动控制与数据分析一体化平台对所述试样进行不同应变率下的动态试验,获取动态应力-应变曲线;
其中,动态拉伸试验在低应变率范围为:300~600s-1,中应变率范围为:600~1000s-1以及高应变率范围为大于1000s-1。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述本构参数获取模块,具体用于对所述试样采用J-C本构关系进行应变率相关本构描述;
其中,为塑性等效流动应力,ε1、ε2及ε3分别为:第一主应变、第二主应变及第三主应变,在单轴拉伸过程中:
ε1=ε
单轴拉伸应变为轴向应变,为参考应变率,一般取为1,为塑性应变率,模型中A、B及n为静态参数,由对准静态应力-应变曲线的拟合得出,C为应变率参数,由对不同应变率的动态应力-应变曲线拟合得出。
10.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述动态失效参数获取模块,具体用于选择合适的触发方式、配合图像采集的光源、以及设置图像采集速率和载荷采集速率对试样进行图像采集,获得多组散斑图像;根据多组散斑图像中的图案变化确定所述试样在被破坏中的位移场和应变场;选取在试验过程中所产生的断口,并对断口进行分析,确定所述铝合金材料的动态失效参数。
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