CN110749510A - 基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法 - Google Patents

基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，包括：获取金属材料的应力‑应变曲线及材料参数；根据应力‑应变曲线确定真实应力‑真实应变曲线、真实应力‑真实塑性应变曲线；建立弯曲试验模型；根据金属材料的材料参数、真实应力‑真实塑性应变曲线定义弯曲试验模型的材料；设置边界条件；定义接触关系与接触参数；设置载荷分析步与分析求解参数；求解计算并导出危险部位的等效应力‑等效应变曲线；将等效应力‑等效应变曲线与真实应力‑真实应变曲线进行比较判断危险部位的安全状态。该方法可以准确高效的模拟金属材料在弯曲试验过程中各个弯曲角度时的应力应变状态，评价材料的弯曲性能，分析效率高、精确度高、成本低。

Description

基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法
技术领域
本发明涉及金属材料弯曲性能试验技术领域，特别涉及一种基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法。
背景技术
弯曲性能是金属材料的关键性能指标之一，对金属材料的研究应用有着重要影响。目前，金属材料的弯曲塑性变形能力，一般通过延性金属材料弯曲试验予以测定。
现有的金属材料弯曲性能评价流程，需要经过材料生产、材料取样、试样加工制备等过程得到圆形、方形、矩形或多边形横截面试样；随后，以上述试样在弯曲装置上经受弯曲塑性变形，不改变加力方向、直至达到规定的弯曲角度，最后进行性能评价测定。整个性能评价周期长、成本高，存在反复制样试验的可能；若遭遇材料组织/表面缺陷、试样制作不标准、试验步骤不规范等问题，可能导致试验结果不真实、不准确，影响材料性能评价。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，可以准确高效的模拟金属材料在弯曲试验过程中各个弯曲角度时的应力应变状态，达到评价材料的弯曲性能的目的，分析效率高、精确度高、成本低。
本发明提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，包括：
获取金属材料的应力-应变曲线及材料参数；
根据所述应力-应变曲线确定所述金属材料的真实应力-真实应变曲线、真实应力-真实塑性应变曲线；
根据金属材料弯曲试验标准建立弯曲试验模型；
根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线定义所述弯曲试验模型的材料；
设置所述弯曲试验模型的边界条件；
定义所述弯曲试验模型的接触关系与接触参数；
设置载荷分析步与分析求解参数；
求解计算并导出危险部位的等效应力-等效应变曲线；
将所述危险部位的等效应力-等效应变曲线与所述金属材料的真实应力-真实应变曲线进行比较，若所述等效应力-等效应变曲线未超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于安全状态；若所述等效应力-等效应变曲线超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于危险状态。
进一步地，所述金属材料的应力-应变曲线通过拉伸试验获取。
进一步地，所述金属材料的应力-应变曲线为名义应力-名义应变曲线，所述名义应力为σnom，所述金属材料的名义应变为εnom，所述金属材料的真实应力为σtrue，所述金属材料的真实应变为εture，所述金属材料的真实塑性应变为εpl，所述金属材料的杨氏模量为E，则：
εture＝ln(1+εnom)；
σture＝σnom(1+εnom)；
Figure BDA0002222373660000031
进一步地，所述弯曲试验模型包括金属材料试样模型及弯曲装置模型，定义所述金属材料试样模型为弹塑性体，定义所述弯曲装置模型为刚体，所述金属材料试样模型的材料根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线予以定义。
进一步地，所述金属材料试样模型由所述弯曲装置模型完全约束及施加弯曲载荷，所述弯曲装置模型用于实现所述金属材料试样的弯曲。
进一步地，所述弯曲装置模型包括试样夹具及弯曲压头，所述金属材料试样由所述试样夹具完全约束，所述弯曲压头对所述金属材料试样施加的弯曲载荷通过给定弯曲位移表现。
进一步地，所述弯曲试验模型的接触关系为所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触关系，所述弯曲试验模型的接触参数为所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触参数。
进一步地，定义所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触关系为表面与表面接触，及定义所述弯曲装置模型的表面为主表面、所述金属材料试样模型的表面为从表面。
进一步地，所述设置载荷分析步包括：采用显示动力算法及自适应网格法。
进一步地，若所述等效应力-等效应变曲线上存在位于所述真实应力-真实应变曲线之上方的点，则判定所述等效应力-等效应变曲线超出所述真实应力-真实应变曲线。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
通过建立弯曲试验模型并进行相关参数的赋值设定，可以准确高效的实时模拟金属材料在弯曲试验过程中各个弯曲角度时的应力应变状态，实现对金属材料的弯曲性能的全面评估；
针对不同的金属材料的弯曲试验仿真，仅需对应改变弯曲试验模型中的材料参数，且模型对材料的强度级别不敏感，可完成任意强度级别的材料的弯曲试验，克服了现实试验装置的局限性；针对不同厚度、不同弯心半径的弯曲试验仿真，仅需改变弯曲试验模型中的试样尺寸参数；
相较于实际弯曲试验，本方法具有分析效率高、精确度高、几乎无成本的优点，具有对不同金属材料、不同试验要求的通用性，无需反复制样试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法应用的金属材料的真实应力-真实应变曲线图；
图2为本发明实施例2提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法应用的弯曲试验模型的建模示意图；
图3为图2中的弯曲试验模型于弯曲过程的第一弯曲角度状态图；
图4为图2中的弯曲试验模型于弯曲过程的第二弯曲角度状态图；
图5为图2中的弯曲试验模型于弯曲过程的第三弯曲角度状态图；
图6为本发明实施例2提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法的步骤I的性能评价示意图；
图7为本发明实施例3提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法应用的弯曲试验模型的建模示意图；
图8为图3中的弯曲试验模型于弯曲过程的第一弯曲角度状态图；
图9为图3中的弯曲试验模型于弯曲过程的第二弯曲角度状态图；
图10为图3中的弯曲试验模型于弯曲过程的第三弯曲角度状态图；
图11为本发明实施例3提供的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法的步骤I的性能评价示意图。
主要元件符号说明：
1-金属材料试样模型，21-支撑辊，22-第一弯曲压头，31-V型模具，32-第二弯曲压头。
具体实施方式
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施例公开了基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法的一种具体方式，包括以下步骤：
步骤A：获取金属材料的应力-应变曲线及材料参数。
金属材料的材料参数包括杨氏模量、泊松比、密度等有限元分析软件(如ANSYS/ABAQUS等)所需的常规材料参数，可通过查阅资料获得或通过试验测定。
示范性地，金属材料的应力-应变曲线可从材料生产商处获取，为产品出厂检验时产生的工程应力应变曲线。或者，所述金属材料的应力-应变曲线通过拉伸试验自行获取。自行获取时，应力-应变曲线通过金属材料在拉伸试验机上拉伸试验测定得到。
步骤B：根据所述应力-应变曲线确定所述金属材料的真实应力-真实应变曲线、真实应力-真实塑性应变曲线。
步骤A所获取的金属材料的应力-应变曲线为名义应力-名义应变曲线，不能真实反映该金属材料的塑性，需要变换为真实应力-真实应变曲线、真实应力-真实塑性应变曲线。其中，该金属材料的名义应力为σnom、名义应变为εnom、真实应力为σtrue、真实应变为εture、真实塑性应变为εpl、杨氏模量为E，则：
真实应变：εture＝ln(1+εnom)；
真实应力：σture＝σnom(1+εnom)；
真实塑性应变：
Figure BDA0002222373660000061
步骤C：根据金属材料弯曲试验标准建立弯曲试验模型。弯曲试验模型为于计算机中建立的仿真模型，可通过有限元分析软件直接建立，也可通过三维建模软件建模后导入有限元分析软件中。
金属材料弯曲试验标准为弯曲试验所依据的标准方法，例如现时通行的《金属材料弯曲试验方法》(GB/T232-2010)，其中规定了金属材料试样及弯曲装置的具体要求、弯曲试验的具体方式。相应地，弯曲试验模型包括金属材料试样模型1及弯曲装置模型。
其中，金属材料试样模型1及弯曲装置模型均为计算机仿真模型。示范性地，金属材料试样模型1由弯曲装置模型完全约束及施加弯曲载荷；弯曲装置模型用于实现金属材料试样的弯曲，其类型根据实际需要于金属材料弯曲试验标准中选定。
例如，《金属材料弯曲试验方法》包括三点式弯曲装置、V型模具式弯曲装置等类型。请结合参阅图2与图7，三点式弯曲装置包括两个支撑辊21与一个第一弯曲压头22，V型模具式弯曲装置包括一个V型模具31与一个第二弯曲压头32，弯曲装置模型可根据需要选定为三点式弯曲装置或V型模具式弯曲装置。
步骤D：根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线定义所述弯曲试验模型的材料。例如，将步骤A获取的金属材料的杨氏模量、泊松比、密度等参数赋予弯曲试验模型中的材料(具体为金属材料试样模型1的材料)，并利用真实应力-真实塑性应变曲线定义金属材料试样模型1的材料塑性属性。
示范性地，定义所述金属材料试样模型1为弹塑性体，定义所述弯曲装置模型为刚体，所述金属材料试样模型1的材料根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线予以定义。
步骤E：设置所述弯曲试验模型的边界条件，以便在后续的有限元计算求解中得到定解。可以理解，有限元计算实质上是微积分方程的求解，边界条件即为方程求解的定解条件。例如，根据《金属材料弯曲试验方法》，金属材料试样由弯曲装置约束并施加弯曲载荷；相应地，金属材料试样模型1的边界条件即由弯曲装置模型限定。
示范性地，弯曲装置模型包括试样夹具及弯曲压头。其中，金属材料试样由试样夹具完全约束，弯曲压头则对金属材料试样施加弯曲载荷；在仿真模型中，弯曲压头对金属材料试样模型1施加的弯曲载荷通过给定的弯曲位移表现。显然，试样夹具的完全约束与弯曲压头给定的弯曲位移，即为金属材料试样模型1的边界条件。
步骤F：定义所述弯曲试验模型的接触关系与接触参数。由于物体之间的接触关系包括点接触、线接触、面接触等类型，需要准确定义接触关系与接触参数，从而准确仿真弯曲试验模型内部各构件之间的接触关系，真实再现力学关系，保证仿真精度。
示范性地，弯曲试验模型的接触关系为金属材料试样模型1与弯曲装置模型之间的接触关系，弯曲试验模型的接触参数为金属材料试样模型1与所述弯曲装置模型之间的接触参数。示范性地，定义金属材料试样模型1与弯曲装置模型之间的接触关系为表面与表面接触，及定义弯曲装置模型的表面为主表面、金属材料试样模型1的表面为从表面，使仿真模型的接触关系与真实弯曲试验装置一致。
步骤G：设置载荷分析步与分析求解参数。载荷分析步与分析求解参数可于有限元分析软件中进行相应设置。示范性地，发明人虑及弯曲试验中存在大变形过程，采用显示动力算法及自适应网格法，保证在大变形分析过程中网格保持理想的高质量，确保仿真的稳定性、精准性和收敛性。
步骤H：求解计算并导出危险部位的等效应力-等效应变曲线。通常地，将模型求解文件导入导入到有限元软件求解器进行求解计算即可。完成仿真计算后，调取结果文件查看计算结果。可查看各弯曲角度时金属材料试样的应力、应变状态，并导出危险部位的等效应力-等效应变曲线εe-σe。
步骤I：性能评价。将所述危险部位的等效应力-等效应变曲线与所述金属材料的真实应力-真实应变曲线进行比较，若所述等效应力-等效应变曲线未超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于安全状态，弯曲性能校核通过；若所述等效应力-等效应变曲线超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于危险状态，提示设计人员采取相应设施改进。
示范性地，若等效应力-等效应变曲线上存在位于真实应力-真实应变曲线之上方的点，则判定等效应力-等效应变曲线超出真实应力-真实应变曲线。根据该判定方法，可快递地实现比较判断。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一个具体的仿真应用例。图1示出了本实施例中金属材料的真实应力-真实应变曲线。
请参阅图2，其中，弯曲装置模型采用三点式弯曲装置：金属材料试样模型1的尺寸为10×20×200mm，弯心直径D1＝2a＝20mm，支撑辊21的直径为D2＝40mm，支辊间距l＝50mm，第一弯曲压头22给定的弯曲位移为65mm(竖直向下)；弯曲试验模型的接触参数设置为：接触属性为切向罚函数，摩擦系数设置为0.15、自动稳定因子为0.0002、相对穿透公差为0.001；分析求解参数设置为：几何非线性、指定耗散能分数为0.0002、采用完全牛顿求解技术。图3～5示出了弯曲试验过程中，弯曲装置模型于不同弯曲角度下的状态。
图6示出了步骤I的比较判定结果。图中，实线曲线(真实)为金属材料的真实应力-真实应变曲线，虚线曲线(等效)为危险部位的等效应力-等效应变曲线。显然，虚线曲线的右侧部分已经超出了实线曲线之外，危险部位处于危险状态。尤其是该处承受拉应力，可判定该点在该应变状态下处于危险状态(产生裂纹)；进而，由仿真模型测量对应时间点的弯曲角度，认定为该材料在此弯心半径下的最大弯曲角度。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例提供一个具体的仿真应用例。图1示出了本实施例中金属材料的真实应力-真实应变曲线。
请参阅图7，其中，弯曲装置模型采用V型模具式弯曲装置：金属材料试样模型1的尺寸为2.5×100×200mm，弯心直径3a＝7.5mm，V型模具31的V型角度为90度，第二弯曲压头32给定的弯曲位移为45mm(竖直向下)；弯曲试验模型的接触参数设置为：接触属性为切向罚函数，摩擦系数设置为0.15、自动稳定因子为0.0002、相对穿透公差为0.001；分析求解参数设置为：几何非线性、指定耗散能分数为0.0002、采用完全牛顿求解技术。图8～10示出了弯曲试验过程中，弯曲装置模型于不同弯曲角度下的状态。
图11示出了步骤I的比较判定结果。图中，实线曲线(真实)为金属材料的真实应力-真实应变曲线，虚线曲线(等效)为危险部位的等效应力-等效应变曲线。显然，虚线曲线并未超出实线曲线，危险部位处于安全状态，可判定该材料在此弯心半径下可以弯曲180度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，包括：
获取金属材料的应力-应变曲线及材料参数；
根据所述应力-应变曲线确定所述金属材料的真实应力-真实应变曲线、真实应力-真实塑性应变曲线；
根据金属材料弯曲试验标准建立弯曲试验模型；
根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线定义所述弯曲试验模型的材料；
设置所述弯曲试验模型的边界条件；
定义所述弯曲试验模型的接触关系与接触参数；
设置载荷分析步与分析求解参数；
求解计算并导出危险部位的等效应力-等效应变曲线；
将所述危险部位的等效应力-等效应变曲线与所述金属材料的真实应力-真实应变曲线进行比较，若所述等效应力-等效应变曲线未超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于安全状态；若所述等效应力-等效应变曲线超出所述真实应力-真实应变曲线，则所述危险部位处于危险状态。
2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述金属材料的应力-应变曲线通过拉伸试验获取。
3.根据权利要求1所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述金属材料的应力-应变曲线为名义应力-名义应变曲线，所述名义应力为σnom，所述金属材料的名义应变为εnom，所述金属材料的真实应力为σtrue，所述金属材料的真实应变为εture，所述金属材料的真实塑性应变为εpl，所述金属材料的杨氏模量为E，则：
εture＝ln(1+εnom)；
σture＝σnom(1+εnom)；
Figure FDA0002222373650000021
4.根据权利要求1所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述弯曲试验模型包括金属材料试样模型及弯曲装置模型，定义所述金属材料试样模型为弹塑性体，定义所述弯曲装置模型为刚体，所述金属材料试样模型的材料根据所述金属材料的材料参数、所述真实应力-真实塑性应变曲线予以定义。
5.根据权利要求4所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述金属材料试样模型由所述弯曲装置模型完全约束及施加弯曲载荷，所述弯曲装置模型用于实现所述金属材料试样的弯曲。
6.根据权利要求5所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述弯曲装置模型包括试样夹具及弯曲压头，所述金属材料试样由所述试样夹具完全约束，所述弯曲压头对所述金属材料试样施加的弯曲载荷通过给定弯曲位移表现。
7.根据权利要求4所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述弯曲试验模型的接触关系为所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触关系，所述弯曲试验模型的接触参数为所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触参数。
8.根据权利要求7所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，定义所述金属材料试样模型与所述弯曲装置模型之间的接触关系为表面与表面接触，及定义所述弯曲装置模型的表面为主表面、所述金属材料试样模型的表面为从表面。
9.根据权利要求1所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，所述设置载荷分析步包括：采用显示动力算法及自适应网格法。
10.根据权利要求1所述的基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法，其特征在于，若所述等效应力-等效应变曲线上存在位于所述真实应力-真实应变曲线之上方的点，则判定所述等效应力-等效应变曲线超出所述真实应力-真实应变曲线。
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