CN112557194A - 一种金属材料高精度仿真模型开发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种金属材料高精度仿真模型开发方法。包括以下步骤：步骤一、对特定材料进行动态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；步骤二、使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，并计算工程应力应变曲线；步骤三、计算真应力应变曲线；步骤四、选择屈服到颈缩曲线段，利用本构方程进行拟合外延，得到CAE仿真曲线组；步骤五、将获得的CAE曲线组代入对标模型；步骤六、进行仿真计算，获得力与位移曲线数据；步骤七、通过迭代计算，使仿真最大力值与试验最大力值相一致。本方法简单便捷，准确度高，工程应用精度好，能提高仿真分析的精度。

Description

一种金属材料高精度仿真模型开发方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种金属材料高精度仿真模型开发方法。
背景技术
汽车碰撞过程是一个瞬时的动态过程，变形过程中车身材料的应变率可达500s-1甚至更高。因此，车身材料的动态大变形力学行为研究对于车身安全设计中合理的材料选择和材料分布设计具有重要的指导意义。动态载荷下材料表征，尤其是中高应变率下材料力学行为测试与模拟是行业研发和应用的难点，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。同时，需要进行准确的模型对标，以实现高精度模型的开发目的。
发明内容
本发明提供了一种金属材料高精度仿真模型开发方法，该方法简单便捷，准确度高，工程应用精度好，能提高仿真分析的精度。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种金属材料高精度仿真模型开发方法，包括以下步骤：
步骤一、对特定材料进行动态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；
步骤二、使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，并计算工程应力应变曲线；
步骤三、计算真应力应变曲线；
步骤四、选择屈服到颈缩曲线段，利用本构方程进行拟合外延，得到CAE仿真曲线组；
步骤五、将获得的CAE曲线组代入对标模型；
步骤六、进行仿真计算，获得力与位移曲线数据；
步骤七、通过迭代计算，使仿真最大力值与试验最大力值相一致；
步骤八、将步骤七获得的曲线应用于整车仿真模型搭建。
所述步骤一的具体方法如下：
从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力值与位移曲线；金属材料高速拉伸所需数据在高速拉伸试验机上完成，其中,中高应变率0.1—500s-1直接从试验机获得载荷数据与位移数据；具体为：通过载荷传感器获取拉伸力数据，通过位移传感器获得样件拉伸变形数据，并将拉伸力数据和拉伸变形数据做成曲线。
所述步骤三的具体方法如下：
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；
Figure BDA0002825152420000021
δt＝δe(1+εe)....................
εt＝ln(1+εe).........................(2)
式中，F为加载载荷；S为样件横截面积；δe为工程应力；εe为工程应变；Δl为样件伸长量；l为样件原长；δt为真实应力；εt为真实应变。
所述步骤四的具体方法如下：
通过寻找真应力—应变峰值点的方法确定颈缩起始点；此外，以所产生的塑性应变达0.2％时的应力值作为屈服起始点；屈服点至颈缩点间的试验结果是真实的单向拉伸状态力学行为，作为真实的材料曲线进行输入；
将上述截取的真实应力—塑性应变曲线用特定的材料硬化本构模型进行拟合及外推；
公式如下：
Figure BDA0002825152420000031
式中：σT为真实应力；εp为塑性应变；α、C、εD、m、σSat、σi、a、q为8个待标定系数。
本发明的有益效果为：
1)该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)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)仿真分析方法中输入参数均为实验直接获得，从而进一步保证了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)该种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
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为最大力获取示意图
图2为不同应变率下材料的工程应力—应变曲线图；
图3为不同应变率下材料的真应力—应变曲线；
图4为试验曲线与拟合曲线对比示意图；
图5为仿真对标模型示意图；
图6为试验与仿真对标曲线图。
具体实施方式
实施例
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，所描述的实施例仅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。
一种金属材料高精度仿真模型开发方法，包括以下步骤：
步骤一、对特定材料进行动态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；
从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力值与位移曲线；金属材料高速拉伸所需数据在高速拉伸试验机上完成，其中,中高应变率0.1—500s-1直接从试验机获得载荷数据与位移数据；具体为：通过载荷传感器获取拉伸力数据，通过位移传感器获得样件拉伸变形数据，并将拉伸力数据和拉伸变形数据做成曲线，如图1所示。
步骤二、使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，并计算工程应力应变曲线；
参阅图2，较高拉伸速率下的力学性能曲线会出现波动，直接进行有效段的截取不易判断最大失效力，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。
步骤三、计算真应力应变曲线；
参阅图3，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；
Figure BDA0002825152420000051
δt＝δe(1+εe)....................
εt＝ln(1+εe)..........................(2)
式中，F为加载载荷；S为样件横截面积；δe为工程应力；εe为工程应变；Δl为样件伸长量；l为样件原长；δt为真实应力；εt为真实应变。
步骤四、选择屈服到颈缩曲线段，利用本构方程进行拟合外延，得到CAE仿真曲线组；
典型金属材料拉伸试验过程可分为弹性与塑性阶段。实际应用中，最大真应力后对应的试验数据无效，需予以剔除。因此可以通过寻找真应力—应变峰值点的方法确定颈缩起始点。此外，以所产生的塑性应变达0.2％时的应力值作为屈服起始点。屈服点至颈缩点间的试验结果是真实的单向拉伸状态力学行为，通常作为真实的材料曲线进行输入。
将上述截取的真实应力—塑性应变曲线用特定的材料硬化本构模型进行拟合及外推。
公式如下：
Figure BDA0002825152420000052
式中：σT为真实应力；εp为塑性应变；α、C、εD、m、σSat、σi、a、q为8个待标定系数。
使用Matlab编程，对从准静态到高应变率的多个应变率的试验曲线硬化段模型结合拉伸仿真进行参数优化，重点是标定出颈缩段的材料塑性力学行为，如图4所示，并可用于后续的仿真分析。
步骤五、将获得的CAE曲线组代入对标模型进行对标分析；
步骤六、进行仿真计算，获得力与位移曲线数据；
按照试验样件形式图5建立仿真模型；并将曲线高精度曲线组代入仿真模型中进行计算。
步骤七、通过迭代计算，使仿真最大力值与试验最大力值相一致。
参阅图6，对比试验与仿真结果，验证曲线的准确性。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)适用的高精材料曲线组。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，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 (4)

1.一种金属材料高精度仿真模型开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对特定材料进行动态拉伸试验，获取原始力与位移曲线数据；
步骤二、使用等量做功法对高应变率曲线进行平滑处理，并计算工程应力应变曲线；
步骤三、计算真应力应变曲线；
步骤四、选择屈服到颈缩曲线段，利用本构方程进行拟合外延，得到CAE仿真曲线组；
步骤五、将获得的CAE曲线组代入对标模型；
步骤六、进行仿真计算，获得力与位移曲线数据；
步骤七、通过迭代计算，使仿真最大力值与试验最大力值相一致；
步骤八、将步骤七获得的曲线应用于整车仿真模型搭建。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料高精度仿真模型开发方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
从材料高速拉伸试验机上获得该材料的原始力值与位移曲线；金属材料高速拉伸所需数据在高速拉伸试验机上完成，其中,中高应变率0.1—500s-1直接从试验机获得载荷数据与位移数据；具体为：通过载荷传感器获取拉伸力数据，通过位移传感器获得样件拉伸变形数据，并将拉伸力数据和拉伸变形数据做成曲线。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料高精度仿真模型开发方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：
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；
Figure FDA0002825152410000011
εt＝ln(1+εe)………………………(2)
式中，F为加载载荷；S为样件横截面积；δe为工程应力；εe为工程应变；Δl为样件伸长量；l为样件原长；δt为真实应力；εt为真实应变。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料高精度仿真模型开发方法，其特征在于，所述步骤四的具体方法如下：
通过寻找真应力—应变峰值点的方法确定颈缩起始点；此外，以所产生的塑性应变达0.2％时的应力值作为屈服起始点；屈服点至颈缩点间的试验结果是真实的单向拉伸状态力学行为，作为真实的材料曲线进行输入；
将上述截取的真实应力—塑性应变曲线用特定的材料硬化本构模型进行拟合及外推；
公式如下：
Figure FDA0002825152410000021
式中：σT为真实应力；εp为塑性应变；α、C、εD、m、σSat、σi、a、q为8个待标定系数。
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