CN111060396B - 一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ls‑Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，具体地说是设置特定试验工况矩阵，通过静态和动态试验获得材料在不同应力状态下的应力‑应变曲线，建立各工况的仿真标定模型，按照一定的仿真标定顺序，完成在不同工况下，仿真与试验曲线拟合度均达到90％以上的材料卡片，实现对塑料非金属材料断裂失效特性的准确仿真模拟。该标定方法增加了双向拉伸、剪切、压缩、拉伸工况下等效应变失效数值和不同应力三轴度下等效断裂失效系数等参数，明确了仿真标定阶段中，各工况的标定顺序和标定规则，可显著降低MAT187材料卡的标定难度，缩短材料卡标定周期，提升材料卡整体标定精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法。
背景技术
近年来，伴随着汽车数量的不断增加，交通环境变得日益复杂，交通事故形式和事故中人员伤亡情况也在发生着变化。针对这些问题，C-NCAP法规在2018年增加了行人保护性能评价项，同时中国保险汽车安全指数(C-IASI)测试评价体系引入25％小偏置碰撞评价项。这些碰撞试验中存在大量塑料零件断裂失效情况，对于主机厂而言，如何获得各种塑料材料的准确断裂失效特性成为安全性能开发的重点和难点。以往材料的仿真中，一般使用Ls-Dyna24号材料卡，其中含有材料的准静态和不同应变速率下的高速拉伸应力-应变曲线，另外可增加一个固定的材料失效应变值。但应用这种方法，无法判别材料所属零件所处的应力状态，而材料在不同应力状态下的失效应变值不同，这就造成仿真中材料断裂失效时刻和断裂失效位置及形式与真实试验差异巨大。
发明内容
为了解决现有技术中CAE材料仿真标定方法中的上述问题，本发明提供了一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，具体地说是设置特定试验工况矩阵，通过静态和动态试验获得材料在不同应力状态下的应力-应变曲线，应用LS-DYNA软件中MAT187号材料卡建立各工况的仿真标定模型，按照一定的仿真标定顺序，完成在不同工况下，仿真与试验曲线(含断裂失效段)拟合度均达到90％以上的材料卡片，实现对塑料非金属材料断裂失效特性的准确仿真模拟。该标定方法增加了双向拉伸、剪切、压缩、拉伸工况下等效应变失效数值和不同应力三轴度下等效断裂失效系数等参数。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，具体步骤如下：
第一步，样片级材料试验：
通过静态和高速拉伸设备，获得材料在不同工况下的应力-应变曲线；
第二步，材料卡片建立：
应用LS-DYNA软件，利用材料的性能参数及第一步测得的应力-应变曲线建立MAT187号材料卡片；
第三步，CAE仿真标定：
根据各试验工况建立CAE仿真标定模型，使用步骤二获得的初始MAT187材料卡片，同时添加与步骤一的试验相对应的仿真边界条件和控制卡片参数，形成初始标定模型，在该模型基础上，通过调整MAT187号材料卡片中各条输入曲线的缩放系数，按照顺序对各工况逐一进行仿真标定，直至在所有对标工况下，仿真与试验力-位移曲线COR拟合度达到90％以上；所述标定流程顺序按照先标定非断裂失效段，再标定断裂失效段两步。
进一步地，第一步所述的不同工况包括静、动态单向拉伸，静、动态双向拉伸，静、动态剪切，静、动态压缩及静、动态穿孔工况；每种工况的试验至少进行3-5组，从中选取颈缩失效位置和应力-应变曲线最接近的3组作为输入数据，并最终获得材料在各工况下的真应力-应变拟合曲线。
进一步地，第二步所述的材料的性能参数包括密度、弹性模量及泊松比。
进一步地，第三步所述非断裂失效段，按照高速拉伸、高速压缩、高速剪切的顺序进行仿真标定；首先，通过缩放曲线系数使得高速拉伸工况结果达到匹配，之后对高速压缩工况进行对标，调整X轴和Y轴缩放系数，由于MAT187号材料卡片中默认拉伸和压缩弹性模量一致，故对塑性段峰值进行比对，由于压缩和拉伸工况存在耦合，需反复对拉伸和压缩结果进行调整，最终得到满足拉伸和压缩工况对标要求的材料卡片；之后对高速剪切工况进行对标，由于剪切试验中与拉伸和压缩工况均耦合，需对剪切曲线、拉伸曲线和压缩曲线反复调整X轴和Y轴缩放系数，以满足最终拉伸、压缩、剪切对标结果COR拟合度均大于90％；
所述断裂失效段，按照高速拉伸、高速剪切、高速穿孔的顺序进行仿真标定；首先在完成非断裂失效段仿真标定的MAT187材料卡片中，增加初始拉伸工况下等效应变失效数值和不同应力三轴度下等效断裂失效系数；对高速拉伸工况进行仿真标定，通过调整不同应变率下拉伸断裂参数，使仿真试验曲线拟合；之后，通过调整剪切断裂参数值，得到满足动态剪切工况拟合度的材料卡片；再通过调整双向拉伸断裂参数，得到满足高速穿孔工况拟合度的材料卡片；由于存在拉压、拉剪耦合工况，需对各失效参数反复调整，以满足最终拉伸、剪切、穿孔失效段对标结果COR拟合度均大于90％。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、本发明明确了基于MAT187材料卡开发的材料试验矩阵，避免因试验工况设置不充分，导致应力三轴度关键信息缺失，造成材料卡无法准确识别特定应力状态的问题；
(2)、本发明明确了仿真标定阶段中，各工况的标定顺序和标定规则，可显著降低MAT187材料卡的标定难度，缩短材料卡标定周期，提升材料卡整体标定精度；
(3)、本发明所使用的参数均为从样块和仿真标定中获得，确保本发明容易实施；应用本发明，可快速实现对各种类型塑料材料的MAT187号材料卡开发；
(4)、本发明经过数十种塑料材料的试验及仿真标定，证明应用本发明标定的LS-DYNA187材料卡，在不同工况下的仿真计算精度均达到90％以上，材料断裂失效时刻与断裂失效位置与真实试验吻合，可直接用于整车碰撞、行人保护等工况的安全性能开发。
附图说明
图1为本发明的一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法的流程图；
图2为本发明中准静态工况数据处理流程图；
图3为本发明中高速工况数据处理流程图；
图4为本发明中MAT187号材料卡设置图；
图5为本发明中仿真标定模型的控制卡参数设置图；
图6为本发明中各工况的仿真标定顺序流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1(基于MAT187号材料卡片的某种塑料材料力学特性标定)
如图1所示，某塑料材料的力学特性标定共分为四步，第一步是材料试验，包含静态拉伸、动态拉伸(5种不同加载速率)、静态双向拉伸、静态剪切、动态剪切、静态压缩、动态压缩、静态穿孔和动态穿孔，共计13个试验工况，考虑塑料材料的一致性相对较低，每个工况开展3-5次试验。通过试验获得某塑料材料的基本材料属性和各工况的试验数据(包含试验曲线、低速高速视频等)，通过对试验数据的处理，将各工况的工程应力-应变曲线转化成真应力-应变曲线。
第二步，将某材料的基本材料属性，包含密度、弹性模量、泊松比，与静态拉伸曲线、动态拉伸曲线、静态双向拉伸曲线、静态压缩曲线、静态剪切曲线等带入到MAT187号材料卡片中；根据各试验工况建立CAE仿真标定模型，使用步骤二获得的初始MAT187材料卡片，同时添加与步骤一的试验相对应的仿真边界条件(样件拉伸速度及夹持方法等)和控制卡片参数(如图5所示)，形成初始标定模型，在该模型基础上，通过调整MAT187号材料卡片中各条输入曲线的缩放系数，具体地，每条曲线的x轴和y轴都有缩放系数，缩放系数初始值为1，通过调整缩放系数值，比如调整为0.9或1.1，仿真的计算结果就会随着缩放系数的改变而改变，不断调整缩放系数的值，使仿真结果与试验结果的拟合度达到90％以上。按照顺序对各工况逐一进行仿真标定，直至在所有对标工况下，仿真与试验力-位移曲线COR拟合度达到90％以上；
第三步，首先进行非失效段的仿真标定，具体顺序为动态拉伸、动态压缩和动态剪切，最终实现这三个工况下，非失效段仿真标定曲线与试验曲线拟合度≥90％。
第四步，在完成非失效段仿真标定的基础上，开展失效段的仿真标定工作，具体顺序为动态拉伸、动态剪切和动态穿孔，最终实现这三个工况下，非失效段和失效段仿真标定曲线与试验曲线拟合度均≥90％，此时某塑料材料基于MAT187号材料卡片的力学特性标定完成。
如图2所示，某塑料材料的准静态拉伸数据的处理流程具体如下，首先材料准静态拉伸试验需要用到电子万能试验机，可准确测试材料的准静态力学性能，得到材料在受到准静态载荷的情况下的试验载荷数据，转化形成工程应力曲线。DIC喷斑图像采集方法可根据待测试件变形前后表面散斑图像的相关性来确定试件位移及变形的全场测量。通过相关函数对子区周围进行相关计算后得到各变形图像下各子区位移，进而可求解得到全场位移场及应变场，即可求得真应变。通过整个变形场的计算，可求得所测位置即时宽度，结合每幅变形图像对应载荷，即可求得测试位置真应力，进而得到真应力-应变曲线。
如图3所示，某塑料材料的动态拉伸数据处理流程与准静态拉伸数据处理流程类似，最大的区别在于需要应用高速材料试验机进行试验，以获得精准的材料在不同应变率下的力学性能曲线。将工程应力-应变曲线转换成真应力-应变曲线的方法和流程与准静态拉伸数据处理流程一致。
如图4所示，将某塑料材料的基本材料属性，包含密度、弹性模量、压缩模量、泊松比，与静态拉伸曲线、动态拉伸曲线、静态双向拉伸曲线、静态压缩曲线、静态剪切曲线，以及不同应变率拉伸工况下等效失效断裂应变数值、不同应力三轴度下的等效断裂应变数值，添加到MAT187号材料卡片中。依据不同工况下试验边界条件及样件尺寸，建立相应的对标模型，综合考虑试件尺寸、对标精度、实际CAE仿真分析等因素，选定不同对标模型中不同的网格尺寸：拉伸试验对标模型为5mm，剪切试验对标模型为1mm，压缩试验对标模型为2mm，穿孔试验对标模型为2mm。
如图5所示，在仿真标定模型的控制卡中，完成控制参数的详细设置，可确保模型计算的速度与准确度。
如图6所示，为各工况的仿真标定顺序流程图。具体如下，首先开展无断裂对标，即去掉断裂结果对拉伸测试结果对标，调整拉伸曲线X轴和Y轴缩放系数，使100应变率拉伸无断裂段仿真与试验拟合度达到≥90％。在此基础上，继续调整拉伸曲线X轴和Y轴缩放系数，使500应变率拉伸无断裂段仿真与试验拟合度达到≥90％。
通过缩放曲线使得拉伸曲线结果达到匹配，之后对动态压缩工况进行对标，调整压缩曲线X轴和Y轴缩放系数，由于MAT187号材料卡片中默认拉伸和压缩弹性模量一致，故对塑性段峰值进行比对。由于压缩和拉伸工况存在耦合，需反复对拉伸和压缩结果进行调整，最终得到满足拉伸和压缩工况对标精度均≥90％的材料卡片。
之后对剪切结果进行对标，由于剪切试验中与拉伸和压缩工况均耦合，需对剪切曲线、拉伸曲线和压缩曲线反复调整X轴和Y轴缩放系数，以满足最终剪切对标结果拟合度≥90％。
完成无断裂段仿真标定后，开始含断裂段的仿真对标。首先对拉伸工况进行仿真对标，调整不同应变率拉伸工况下等效失效断裂应变数值，使100/s和500/s应变率下的拉伸工况仿真对标结果拟合度≥90％。
在此基础上，调整剪切应力三轴度下的等效断裂应变数值，使动态剪切工况下的仿真对标结果拟合度≥90％。
在此基础上，对穿孔工况进行对标，需要调整双向拉伸曲线X轴和Y轴缩放系数和双向拉伸应力三轴度下的等效断裂应变数值，最终使得穿孔工况对标结果拟合度≥90％。至此，整个工况的仿真标定完成。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (3)
1.一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，样片级材料试验：
通过静态和高速拉伸设备，获得材料在不同工况下的应力-应变曲线；
第二步，材料卡片建立：
应用LS-DYNA软件，利用材料的性能参数及第一步测得的应力-应变曲线建立MAT187号材料卡片；
第三步，CAE仿真标定：
根据各试验工况建立CAE仿真标定模型，使用步骤二获得的初始MAT187材料卡片，同时添加与步骤一的试验相对应的仿真边界条件和控制卡片参数，形成初始标定模型，在该模型基础上，通过调整MAT187号材料卡片中各条输入曲线的缩放系数，按照顺序对各工况逐一进行仿真标定，直至在所有对标工况下，仿真与试验力-位移曲线拟合度达到90％以上；所述标定流程顺序按照先标定非断裂失效段，再标定断裂失效段两步；
第三步所述非断裂失效段，按照高速拉伸、高速压缩、高速剪切的顺序进行仿真标定；首先，通过缩放曲线系数使得高速拉伸工况结果达到匹配，之后对高速压缩工况进行对标，调整X轴和Y轴缩放系数，由于MAT187号材料卡片中默认拉伸和压缩弹性模量一致，故对塑性段峰值进行比对，由于压缩和拉伸工况存在耦合，需反复对拉伸和压缩结果进行调整，最终得到满足拉伸和压缩工况对标要求的材料卡片；之后对高速剪切工况进行对标，由于剪切试验中与拉伸和压缩工况均耦合，需对剪切曲线、拉伸曲线和压缩曲线反复调整X轴和Y轴缩放系数，以满足最终拉伸、压缩、剪切对标结果拟合度均达到90％以上；
所述断裂失效段，按照高速拉伸、高速剪切、高速穿孔的顺序进行仿真标定；首先在完成非断裂失效段仿真标定的MAT187材料卡片中，增加初始拉伸工况下等效应变失效数值和不同应力三轴度下等效断裂失效系数；对高速拉伸工况进行仿真标定，通过调整不同应变率下拉伸断裂参数，使仿真试验曲线拟合；之后，通过调整剪切断裂参数值，得到满足动态剪切工况拟合度的材料卡片；再通过调整双向拉伸断裂参数，得到满足高速穿孔工况拟合度的材料卡片；由于存在拉压、拉剪耦合工况，需对各失效参数反复调整，以满足最终拉伸、剪切、穿孔失效段对标结果拟合度均达到90％以上。
2.如权利要求1所述的一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，其特征在于，第一步所述的不同工况包括静、动态单向拉伸，静、动态双向拉伸，静、动态剪切，静、动态压缩及静、动态穿孔工况；每种工况的试验至少进行3-5组，从中选取颈缩失效位置和应力-应变曲线最接近的3组作为输入数据，并最终获得材料在各工况下的真应力-应变拟合曲线。
3.如权利要求1所述的一种基于Ls-Dyna187号材料卡的材料力学性能标定方法，其特征在于，第二步所述的材料的性能参数包括密度、弹性模量及泊松比。
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