CN110532658A - 一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，包括对从材料高速拉伸试验机上获得材料的原始数据进行处理，得到真应力应变曲线，对真应力应变曲线进行曲线外延以及平滑处理，获得延伸率100％的真应力应变曲线。本发明旨在通过提供一种简单便捷，准确度高，工程应用精度好，普适性强的室温下材料高速拉伸力学性能数据处理方法，从而提高仿真分析的精度。
Description
技术领域
本发明属于汽车安全技术领域，尤其是涉及一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法。
背景技术
室温下金属材料高速拉伸试验过程中，力学性能会随着拉伸速率的不同而产生变化，这种现象被称之为应变率效应。整车结构耐撞性开发仿真分析过程中，需要输入不同应变率下材料的动态力学性能曲线，并且为提高仿真精度，需输入延伸率为100％的应力与应变曲线，很显然，一般金属材料的延伸率不可能达到100％，这就要求对试验获得的力与位移曲线进行外延处理。与此同时，材料在高速拉伸过程中，拉伸速度较高时，数据曲线会产生波动，需对曲线进行平滑处理。数据平滑与外延处理的方法和精度直接决定了仿真分析结果的准确性和精确度。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，以提高仿真分析的精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，包括对从材料高速拉伸试验机上获得材料的原始数据进行处理，得到真应力应变曲线，对真应力应变曲线进行曲线外延以及平滑处理，获得延伸率100％的真应力应变曲线。
进一步的，处理方法具体包括如下步骤：
(1)对特定材料进行动静态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；
(2)对动静态拉伸数据进行力位移曲线到真应力应变曲线的转化；
(3)获得准静态及较低速率下的材料力学性能曲线的有效段；
(4)使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，获得其有效段；
(5)将准静态曲线数据代入JC本构方程中，求解出A，B，n值；
(6)将获得的动态拉伸曲线有效段数据代入JC方程中，求解出对应应变率下的C值；
(7)根据获得的不同的C值求解出C值与应变率之间的函数，代入JC方程中，获得最终的本构方程；
(8)使用该本构方程对不同应变率下的真应力应变曲线进行拟合，获得延伸率100％的真应力应变曲线；
(9)建立材料拉伸样件CAE模型，输入外延后延伸率100％曲线组，输出力或位移曲线组；
(10)对比试验所得力或位移曲线组与仿真输出力或位移曲线组，进行微调，使二者较为吻合；
(11)重复步骤1-10。
进一步的，所述步骤(2)中，从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力与位移曲线，根据公式(1)及公式(2)得到真应力应变曲线，
δt＝δe(1+εe)………………………
εt＝ln(1+εe)………………………(2)
其中，F指载荷，S指受力面积，Δl指平行段产生的变形量，l指平行段长度，δe指工程应力，亦称名义应力，εe指工程应变，亦称名义应变；δt指真实应力，εt指真实应变。
进一步的，所述步骤(3)中，去掉材料的弹性变形段数据，并截取从屈服点到抗拉强度段的曲线段，将此曲线段向左平移至屈服点的应变为零的位置。
进一步的，对不具有明显屈服点的材料，以产生0.2％的塑性应变所对应的应力值作为名义屈服极限。
进一步的，所述步骤(5)中，在Johnson-Cook模型中，应力σ被表示为：
其中 A、B、n、C和m为与材料相关的系数，其中，A表示材料在准静态下的屈服强度，B和n表示材料的应变强化效应的参数，C表示应变率敏感系数，m为温度软化系数，ε为等效塑性应变，为无量纲的等效塑性应变率，为参考应变率，T*为同系温度，Tr为参考温度，一般可取为室温，Tm为常态下材料的熔化温度；
由JC本构方程可以看出，(A+Bεn)一项表示了应变强化的作用，表示了应变率的强化作用，(1-T*m)表示了温度对于应力的影响因素，对于受温度影响很小的材料或者实验为室温条件下，可以将JC本构方程简化为：
针对某一特定材料，获得各应变率下的动静态力学性能数据后，选取准静态拉伸速率下的则可计算得到A值，对参数B和n采用最小二乘法拟合，得出B值和n值。
进一步的，所述步骤(7)中，C值的确定方法：在其他几种不同的应变速率下，分别求出应变率敏感系数C的值，将C表示为应变率的函数，假设C值对应应变率的函数为C（ε’），则JC方程可以表示为：
相对于现有技术，本发明所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法具有以下优势：
(1)本发明的数据处理方法过程简洁，易于掌握，使用较为基础的数据处理工具即可轻松实现；
(2)本发明利用等量做功法进行高应变率曲线的平滑处理，极大程度上保证了数据的真实性，减小了失真，提高了数据的准确性；
(3)本发明的曲线外延方法中建立C值为应变率函数的方法，能够求出任意应变率下的C值，提高了C值得准确性，进而提高了修订后的JC方程的准确性，从而进一步保证了外延拟合后的数据曲线的有效性和真实性，最终实现数据精度的提高和仿真精度的提高；
(4)本发明的数据外延方法可针对多种材料的高速拉伸力学性能数据进行，在一定的应变率范围内，能实现误差小精度高的数据处理要求；
(5)本发明的数据库精度提升方法可针对不同建模参数的模型进行，获取的动态力学性能曲线能够更好的满足CAE仿真分析要求，并且该方法过程简洁，目的明确，工程可实现性强。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法示意图；
图2为本发明实施例所述的有效段截取示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，用于金属材料高速力学性能数据的处理，得到的数据适用于考虑材料应变率效应的CAE仿真分析。
该材料高速力学性能数据处理方法包含两大部分，一是原始数据的处理，即真应力应变曲线的获得；二是曲线外延方法。
原始数据的处理：从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力与位移曲线，根据公式(1)及公式(2)得到真应力应变曲线。
δt＝δe(1+εe)………………………
εt＝ln(1+εe)………………………(2)
其中，F指载荷，S指受力面积，Δl指平行段产生的变形量，l指平行段长度，δe指工程应力，亦称名义应力，εe指工程应变，亦称名义应变；δt指真实应力，εt指真实应变。
有效段的截取：整车结构耐撞性开发过程中，所需材料动态力学性能数值为塑性段数值，即需在力学性能曲线上截取材料的有效段应力应变，截取方法：去掉材料的弹性变形段数据，并截取从屈服点到抗拉强度段的曲线段，将此曲线段向左平移至屈服点的应变为零的位置。针对不具有明显屈服点的材料，以产生0.2％的塑性应变所对应的应力值作为名义屈服极限。如图2所示。
真应力应变曲线的平滑：针对较高拉伸速率下的材料高速力学性能曲线，曲线会出现波动，直接进行有效段的截取不易判断真实屈服点和抗拉强度，因此需要对曲线进行平滑处理。采用等量做功法进行高应变率曲线的平滑处理：其原理是试验过程中外界对试样做功是相等的，因此在抖动的曲线中波峰与波谷可以相互抵消，保证力-位移围成的面积(功)相等即可。该方法极大程度上保证了数据的准确性，失真较小。
曲线外延方法：JC本构模型是一个适用于金属大变形、高应变率和高温条件下的本构模型。在Johnson-Cook模型中，应力σ被表示为：
其中 A、B、n、C和m为与材料相关的系数，其中，A表示材料在准静态下的屈服强度，B和n表示材料的应变强化效应的参数，C表示应变率敏感系数，m为温度软化系数，ε为等效塑性应变，为无量纲的等效塑性应变率，为参考应变率，T*为同系温度，Tr为参考温度，一般可取为室温，Tm为常态下材料的熔化温度。
由JC本构方程可以看出，(A+Bεn)一项表示了应变强化的作用，表示了应变率的强化作用，(1-T*m)表示了温度对于应力的影响因素。对于受温度影响很小的材料或者实验为室温条件下，可以将JC本构方程简化为：
针对某一特定材料，获得各应变率下的动静态力学性能数据后，选取准静态拉伸速率下的则可计算得到A值，对参数B和n采用最小二乘法拟合，得出B值和n值。
C值的确定方法：在其他几种不同的应变速率下，分别求出应变率敏感系数C的值，将C表示为应变率的函数，假设C值对应应变率的函数为C（ε’），则JC方程可以表示为：
这种方法提高了C值的准确性，并且能够求出任意应变率下C的数值，进而求得该种材料所对应的JC方程的表达式。通过该表达式，即可求出对应应变速率下的延伸率为100％的真应力应变曲线。
但是，仿真分析过程是一个数学过程，是通过一系列的算法来实现的，CAE模型的网格尺寸，边界条件，单位制等都会直接影响仿真分析的结果，而材料动态力学性能试验及数据的获取与处理是物理过程，如何将物理过程与数学过程相匹配，是另外一个提升仿真分析精度的问题。
与此同时，动态冲击的能量是以应力波的形式在样件上进行传导，存在空间及时间上的不均匀性，为了使仿真及实验测试结果二者能够进行匹配，建立高速拉伸样件的CAE仿真分析模型，输入外延处理后的数据组，从CAE模型中输出力或者位移曲线，将该曲线组与试验曲线组进行对比，根据仿真与实验的对比作出微调整，使仿真输出的曲线与对应的实验曲线在每个应变率下达到统一。可针对不同建模参数的模型进行此过程，用以得到不同建模条件下(网格参数，单位制等)适用的高精度材料动态力学性能曲线。
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 (7)
1.一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：包括对从材料高速拉伸试验机上获得材料的原始数据进行处理，得到真应力应变曲线，对真应力应变曲线进行曲线外延以及平滑处理，获得延伸率100％的真应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：处理方法具体包括如下步骤：
(1)对特定材料进行动静态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；
(2)对动静态拉伸数据进行力位移曲线到真应力应变曲线的转化；
(3)获得准静态及较低速率下的材料力学性能曲线的有效段；
(4)使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，获得其有效段；
(5)将准静态曲线数据代入JC本构方程中，求解出A，B，n值；
(6)将获得的动态拉伸曲线有效段数据代入JC方程中，求解出对应应变率下的C值；
(7)根据获得的不同的C值求解出C值与应变率之间的函数，代入JC方程中，获得最终的本构方程；
(8)使用该本构方程对不同应变率下的真应力应变曲线进行拟合，获得延伸率100％的真应力应变曲线；
(9)建立材料拉伸样件CAE模型，输入外延后延伸率100％曲线组，输出力或位移曲线组；
(10)对比试验所得力或位移曲线组与仿真输出力或位移曲线组，进行微调，使二者较为吻合；
(11)重复步骤1-10。
3.根据权利要求2所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中，从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力与位移曲线，根据公式(1)及公式(2)得到真应力应变曲线，
δt＝δe(1+εe)………………………
εt＝ln(1+εe)………………………(2)。
其中，F指载荷，S指受力面积，Δl指平行段产生的变形量，l指平行段长度，δe指工程应力，亦称名义应力，εe指工程应变，亦称名义应变；δt指真实应力，εt指真实应变。
4.根据权利要求2所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中，去掉材料的弹性变形段数据，并截取从屈服点到抗拉强度段的曲线段，将此曲线段向左平移至屈服点的应变为零的位置。
5.根据权利要求4所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：对不具有明显屈服点的材料，以产生0.2％的塑性应变所对应的应力值作为名义屈服极限。
6.根据权利要求2所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在Johnson-Cook模型中，应力σ被表示为：
其中 A、B、n、C和m为与材料相关的系数，其中，A表示材料在准静态下的屈服强度，B和n表示材料的应变强化效应的参数，C表示应变率敏感系数，m为温度软化系数，ε为等效塑性应变，为无量纲的等效塑性应变率，为参考应变率，T*为同系温度，Tr为参考温度，一般可取为室温，Tm为常态下材料的熔化温度；
由JC本构方程可以看出，(A+Bεn)一项表示了应变强化的作用，表示了应变率的强化作用，(1-T*m)表示了温度对于应力的影响因素，对于受温度影响很小的材料或者实验为室温条件下，可以将JC本构方程简化为：
针对某一特定材料，获得各应变率下的动静态力学性能数据后，选取准静态拉伸速率下的则可计算得到A值，对参数B和n采用最小二乘法拟合，得出B值和n值。
7.根据权利要求6所述的一种金属材料动态高速拉伸试验数据的处理方法，其特征在于：所述步骤(7)中，C值的确定方法：在其他几种不同的应变速率下，分别求出应变率敏感系数C的值，将C表示为应变率的函数，假设C值对应应变率的函数为C(ε’)，则JC方程可以表示为：
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