CN109781531A - 一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，包括步骤1：通过试验获取常温常压状态的宏观材料低速和高速拉伸试验数据，绘制应力应变曲线；步骤2：利用分子动力学方法模拟计算材料在常温下的应力应变曲线；步骤3：对比分子动力学方法计算的应力应变曲线与试验测试的应力应变曲线，若对比结果相差较大，调整分子动力学方法的仿真参数，重新计算，直到计算结果与试验结果相符，保存最佳的仿真参数；步骤4：调整温度和应变速率，在最佳的仿真参数条件下，利用分子动力学方法模拟计算材料在高温高速下的应力应变曲线。该方法应用分子动力学方法，能够模拟计算出不同温度、不同应变速率的材料应力应变曲线，大大降低了试验成本。
Description
技术领域
本发明属于计算机模拟及材料力学领域，涉及一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法。
背景技术
分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学方法广泛应用于材料科学、生物物理和医药设计等方面。计算机技术的发展给分子动力学模拟注入了新的活力。而实验室中能够应用高速拉伸试验机测量室温条件下的不同应变速率的应力应变曲线，试验数据能够验证分子动力学计算准确性，保证应用分子动力学方法计算高温高应变速率的应力应变曲线可靠性。但实验室中的高速拉伸试验机只能测量室温条件下材料的应力应变曲线，不能得到高温条件的高应变速率应力应变曲线。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，应用分子动力学方法，能够模拟计算出不同温度、不同应变速率的材料应力应变曲线。
本发明提供一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过试验获取常温常压状态的材料试样的低速和高速拉伸试验数据，绘制应力应变曲线；
步骤2：利用分子动力学方法模拟计算材料试样在常温下的应力应变曲线；
步骤3：对比分子动力学方法计算的应力应变曲线与试验测试的应力应变曲线，如果对比结果相差较大，调整分子动力学方法的仿真参数，重新进行计算，直到计算结果与试验结果相符，保存最佳的仿真参数；
步骤4：调整温度和应变速率，在最佳的仿真参数条件下，利用分子动力学方法模拟计算材料在高温高速下的应力应变曲线。
在本发明的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法中，所述步骤1具体为：
步骤1.1：加工试样，试样包括夹持端、平行段和加载端；
步骤1.2：在试样表面粘贴应变片，并在平行段喷漆；
步骤1.3：将试样的夹持端固定在夹具内并配有力传感器，连接好应变片并设置应变仪的参数；
步骤1.4：加载预先设定的测试程序，输入应变率，启动高速摄像系统，在试样的加载端施加动能开始试验；
步骤1.5：提取测试结果，导出应力应变曲线。
在本发明的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法中，所述步骤1.4中在常温、常压状态下分别选取0.001/s和1000/s的应变速率进行测试。
在本发明的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法中，所述步骤2具体为：
步骤2.1：建立仿真模型，模型长、宽和厚度与加工试样的平行段相同，定义材料类型，粒子之间选取镶嵌原子法EAM势函数；
步骤2.2：定义边界条件，在X,Y方向施加刚性边界，在Z方向施加周期性边界；
步骤2.3：加载时间步长为Δt＝1fs，在室温下自由弛豫200000步，使几何模型系统中原子在原子间作用的影响下达到真实物理状况下的初始构型；
步骤2.4：施加载荷约束，约束左端长度区域2.5mm的原子在X,Y,Z方向上的位移为零，右端长度区域2.5mm的原子，施加沿Z方向的应变速率载荷为0.001/s，中间部分为试样变形部分，设置计算步数10000000；
步骤2.5：根据下列公式计算得到应力：
其中，n为粒子总数，为粒子i和j之间的作用力，为粒子距离，Ω为试样的体积；
步骤2.6：每隔10000步记录一次时间步数及应力值，模拟结束，得到时间步数-应力的变化曲线；
步骤2.7：根据下式，依据时间步数计算得到常温下应变速率为0.001/s和1000/s的材料的应力应变曲线：
εz＝Δεz·Δt·nstep
其中，Δεz为应变速率，nstep为计算步数，Δt为时间步长。
在本发明的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法中，所述步骤2.1中定义材料类型具体为：定义粒子晶格类型、粒子坐标、粒子质量和初始速度。
在本发明的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法中，所述步骤3中调整分子动力学方法的仿真参数具体为：调整NPT系综设置参数，包括恒温器和稳压器命令设置；调整EAM势函数命令的关键字参数设置。
本发明的一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，能够计算冷轧板的不同温度、不同应变速率条件下的应力应变曲线，大大降低了试验成本，在模拟实验过程中能够得到原子运动轨迹，观察到原子运动过程中各种微观细节，是实验室理论研究的有力补充手段为汽车厂提供碰撞分析的数据。同时对于微观测试材料，起到了预测材料应力应变曲线的作用，拉伸过程中各种微观细节的研究，为理论研究提供了基础，是实验室的有力补充手段。
附图说明
图1是本发明的一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法的流程图；
图2是试样的结构图。
具体实施方式
分子动力学：是指在特定力场条件下，通过运用力、速度和位置等参数动态模拟材料的结构和性能的一种方法。由于系统的特性是粒子微观运动的宏观表现，因此对系统微观粒子的运动状态进行统计研究,能够得到系统的宏观性质。分子动力学方法的基本思想是通过模拟粒子的运动轨迹随时间演变的过程，求解有相互作用的各个粒子的运动方程，得到每个粒子空间位置和运动状态随时间的变化状况，从而统计出材料的宏观特性。
我们实验室中的高速拉伸试验机能够在8个应变速率下测试材料的应力应变曲线，应变速率分别为：0.001/s、0.1/s、1/s、10/s、100/s、200/s、500/s和1000/s。但是对于高温条件下，则无法测试材料的应力应变曲线，此外目前实验室设备无法测试微观材料的应力应变曲线。为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法。对于宏观测试材料，能够计算得到不同材料在不同温度、不同应变速率条件下的应力应变曲线，从而降低了试验成本。同时对于微观测试材料，起到了预测材料应力应变曲线的作用，是实验室理论研究的有力补充手段。
本发明的一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过试验获取常温常压状态的材料试样的低速和高速拉伸试验数据，绘制应力应变曲线；所述步骤1具体为：
步骤1.1：加工试样，试样包括夹持端1、平行段2和加载端3；
步骤1.2：在试样表面粘贴应变片，并在平行段喷漆；
步骤1.3：将试样的夹持端固定在夹具内并配有力传感器，连接好应变片并设置应变仪的参数；
步骤1.4：加载预先设定的测试程序，输入应变率，启动高速摄像系统，在试样的加载端施加动能开始试验。在常温、常压状态下分别选取0.001/s和1000/s的应变速率进行测试。
步骤1.5：提取测试结果，导出应力应变曲线。
步骤2：利用分子动力学方法模拟计算材料试样在常温下的应力应变曲线。所述步骤2具体为：
步骤2.1：建立仿真模型，模型长、宽和厚度与加工试样的平行段相同，定义材料类型，具体为：定义粒子晶格类型、粒子坐标、粒子质量和初始速度；粒子之间选取镶嵌原子法EAM势函数；
步骤2.2：定义边界条件，在X,Y方向施加刚性边界，在Z方向施加周期性边界；
步骤2.3：加载时间步长为Δt＝1fs，在室温下自由弛豫200000步，使几何模型系统中原子在原子间作用的影响下达到真实物理状况下的初始构型；
步骤2.4：施加载荷约束，约束左端长度区域2.5mm的原子在X,Y,Z方向上的位移为零，右端长度区域2.5mm的原子，施加沿Z方向的应变速率载荷为0.001/s，中间部分为试样变形部分，设置计算步数10000000；
步骤2.5：根据下列公式计算得到应力：
其中，n为粒子总数，为粒子i和j之间的作用力，为粒子距离，Ω为试样的体积；
步骤2.6：每隔10000步记录一次时间步数及应力值，模拟结束，得到时间步数-应力的变化曲线；
步骤2.7：根据下式，依据时间步数计算得到常温下应变速率为0.001/s和1000/s的材料的应力应变曲线：
εz＝Δεz·Δt·nstep
其中，Δεz为应变速率，nstep为计算步数，Δt为时间步长。
步骤3：对比分子动力学方法计算的应力应变曲线与试验测试的应力应变曲线，如果对比结果相差较大，调整分子动力学方法的仿真参数，具体通过调整NPT系综设置参数，包括恒温器和稳压器命令设置；调整EAM势函数命令的关键字参数设置后，重新进行计算，直到计算结果与试验结果相符，保存最佳的仿真参数；
步骤4：调整温度和应变速率，在最佳的仿真参数条件下，利用分子动力学方法模拟计算材料在高温高速下的应力应变曲线。
高温拉伸试验机能够测试宏观材料的应力应变曲线，但是高温拉伸试验机的价格昂贵，对试样条件要求较高，试验成本非常高。而对于微观材料的应力应变曲线测量，高温拉伸试验机不适合夹持-施力-测量，精度不够。因此本发明公开了一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，能够计算冷轧板的不同温度、不同应变速率条件下的应力应变曲线，大大降低了试验成本，为汽车厂提供碰撞分析的数据。同时对于微观测试材料，起到了预测材料应力应变曲线的作用，拉伸过程中各种微观细节的研究，为理论研究提供了基础，是实验室的有力补充手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (6)
1.一种预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过试验获取常温常压状态的材料试样的低速和高速拉伸试验数据，绘制应力应变曲线；
步骤2：利用分子动力学方法模拟计算材料试样在常温下的应力应变曲线；
步骤3：对比分子动力学方法计算的应力应变曲线与试验测试的应力应变曲线，如果对比结果相差较大，调整分子动力学方法的仿真参数，重新进行计算，直到计算结果与试验结果相符，保存最佳的仿真参数；
步骤4：调整温度和应变速率，在最佳的仿真参数条件下，利用分子动力学方法模拟计算材料在高温高速下的应力应变曲线。
2.如权利要求1所述的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1.1：加工试样，试样包括夹持端、平行段和加载端；
步骤1.2：在试样表面粘贴应变片，并在平行段喷漆；
步骤1.3：将试样的夹持端固定在夹具内并配有力传感器，连接好应变片并设置应变仪的参数；
步骤1.4：加载预先设定的测试程序，输入应变率，启动高速摄像系统，在试样的加载端施加动能开始试验；
步骤1.5：提取测试结果，导出应力应变曲线。
3.如权利要求2所述的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，所述步骤1.4中在常温、常压状态下分别选取0.001/s和1000/s的应变速率进行测试。
4.如权利要求2所述的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1：建立仿真模型，模型长、宽和厚度与加工试样的平行段相同，定义材料类型，粒子之间选取镶嵌原子法EAM势函数；
步骤2.2：定义边界条件，在X，Y方向施加刚性边界，在Z方向施加周期性边界；
步骤2.3：加载时间步长为Δt＝1fs，在室温下自由弛豫200000步，使几何模型系统中原子在原子间作用的影响下达到真实物理状况下的初始构型；
步骤2.4：施加载荷约束，约束左端长度区域2.5mm的原子在X,Y,Z方向上的位移为零，右端长度区域2.5mm的原子，施加沿Z方向的应变速率载荷为0.001/s，中间部分为试样变形部分，设置计算步数10000000；
步骤2.5：根据下列公式计算得到应力：
其中，n为粒子总数，为粒子i和j之间的作用力，为粒子距离，Ω为试样的体积；
步骤2.6：每隔10000步记录一次时间步数及应力值，模拟结束，得到时间步数-应力的变化曲线；
步骤2.7：根据下式，依据时间步数计算得到应变，并计算得到常温下应变速率为0.001/s和1000/s的材料的应力应变曲线：
εz＝Δεz·Δt·nstep
其中，Δεz为应变速率，nstep为计算步数，Δt为时间步长。
5.如权利要求4所述的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，所述步骤2.1中定义材料类型具体为：定义粒子晶格类型、粒子坐标、粒子质量和初始速度。
6.如权利要求4所述的预测材料高温高应变速率下的应力应变曲线的方法，其特征在于，所述步骤3中调整分子动力学方法的仿真参数具体为：调整NPT系综设置参数，包括恒温器和稳压器命令设置；调整EAM势函数命令的关键字参数设置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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