CN114974478B - 考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法及系统；其中所述方法，包括：定义微切削工况；基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟。
Description
技术领域
本发明涉及晶体金属材料建模技术领域，特别是涉及考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
晶体金属材料是重要的结构与功能材料，航空航天、机械电子等领域微型化的发展趋势催生了对晶体金属材料微构件(零件在毫米级、特征在微米级)的大量需求。微切削技术如微铣削、微车削、微钻削因具有成本低、效率高、可加工三维复杂微结构的优势而成为这类材料构件的关键制备技术之一。然而，在晶体金属材料的微切削加工过程中，由于刀具刃口半径、切削用量以及晶粒尺寸处于同一数量级，导致“切削刃尺寸效应”产生，使得宏观切削研究中的“锋利切削刃假设”失效。又由于晶体材料微结构的不均匀性和晶体力学性能的各向异性，导致“微结构效应”产生，使得宏观切削研究中的“均质材料假设”失效。从而导致传统宏观切削研究中的经验和理论无法指导晶体金属材料微切削工艺的开展，使得加工性能难以预测、加工质量无法保证，严重限制了晶体金属材料微构件的生产与应用，阻碍了微型化的发展进程。因此，亟需开展微观尺度下的晶体金属材料微切削过程研究，以期实现切削性能的准确预测，保证晶体金属材料微型零件的加工质量和服役性能。
由于微观尺度下的试验精度要求高、成本高、难度大，且无法观察具体演化过程，使得仿真研究成为必要。典型的工程材料晶粒尺寸在100nm～100μm之间，而原子和晶格尺寸通常在埃米级(如纯镍的原子半径为晶格常数为/>)，单个晶粒中包含海量的原子(如一个尺寸为100nm×100nm×100nm的纯镍晶粒包含约2.27×107个镍原子)，因此以原子为基本单位的分子动力学仿真模型受限于设备运算能力，不适用于多个晶粒的材料行为模拟。相比于连续介质尺度和原子尺度，晶粒尺度足够小，可以反映晶体金属材料微切削的关键特征，又足够大，能够模拟真实的微切削工艺尺寸，因而成为当前开展晶体金属材料微切削仿真研究的最佳选择。
在目前公开的技术和资料中，可实现晶粒尺度微切削仿真的模型非常少，且不够完善，主要存在以下两个关键问题：
(1)在建立工件的晶粒尺度微结构模型时，缺乏对材料真实微结构的考虑，导致所建立模型与实际情况相差较大，无法得到有效的仿真结果。
(2)在定义微切削过程中的材料行为时，缺乏对晶体材料应变率敏感性和微切削过程中应变率不均匀性(实际微切削过程中，切削影响区域的应变率可达104及以上，未影响区域的应变率接近于0)的考虑，导致所模拟的材料行为与真实情况相差较大，无法得到可靠的仿真结果。
因此现有的晶粒尺度模拟技术与实际的晶体金属材料微切削过程相差较大，仿真结果不准确，难以满足其发展和应用需求。
发明内容
针对背景技术中存在的对工件真实微结构、晶体材料应变率敏感性以及微切削过程应变率不均匀性考虑不足，导致工件微结构模型与材料实际相差较大、材料行为与实际情况相差较大，进而导致仿真结果不准确、不可靠的问题，本发明提供了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法及系统，能够快速建立工件的高质量晶粒尺度微结构模型，在微切削仿真过程中实时计算材料点的应变率并根据应变率调整本构参数，从而准确模拟晶体金属材料微切削过程中的变形和去除行为，大幅提高仿真精度。
第一方面，本发明提供了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法；
考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，包括：
定义微切削工况；
基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟。
第二方面，本发明提供了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模系统；
考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模系统，包括：
工况定义模块，其被配置为：定义微切削工况；
建模模块，其被配置为：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
行为定义模块，其被配置为：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
标定模块，其被配置为：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
仿真模块，其被配置为：基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述第一方面所述的方法。
第四方面，本发明还提供了一种存储介质，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行第一方面所述方法的指令。
第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现上述第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
实现了晶体金属材料微切削过程中的材料点应变率实时计算和基于应变率的晶粒尺度本构参数调整，能够有效且可靠地模拟晶体金属材料微切削过程中应变率相关的晶粒尺度弹性-塑性-损伤行为，从而大幅提高仿真精度；应用于实际晶体金属材料微切削加工可降低工艺调试成本、提升加工精度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1为实施例一的坐标系定义示意图；
图2为实施例一的刀具和工艺参数示意图；
图3为实施例一的工件晶粒尺度微结构模型示意图；
图4(a)～图4(f)为实施例一的不同晶粒数量的微结构依赖代表性体积元模型；
图5为实施例一的边界条件；
图6为实施例一的拉伸速度和应变率的变化趋势；
图7为实施例一的不同应变率下仿真和试验的应力应变曲线对比；
图8为实施例一的应变率修正系数的变化趋势；
图9为实施例一的直角微切削有限元仿真模型。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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。
本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。
实施例一
本实施例提供了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法；
考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，包括：
S101：定义微切削工况；
S102：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
S103：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
S104：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
S105：基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟。
进一步地，所述定义微切削工况，包括：定义坐标系、配置刀具和工艺参数。
进一步地，所述定义坐标系，包括：首先基于材料特征定义材料基坐标系CS0-XYZ，然后根据加工需求定义直角切削方向C、未变形切屑厚度H方向以及法向T，CS0是材料基坐标系的符号，XYZ是基坐标系的三个坐标轴。
应理解地，为降低收敛难度和运算消耗，提高仿真效率，本发明开展二维直角微切削仿真。
如图1所示，所研究的材料为棒状毛坯由热拉拔工艺制成，则可以拉拔方向为轴线定义基坐标系CS0-XYZ，假设直角切削方向C、未变形切屑厚度方向H和法向T分别与X、Z、Y方向平行。
进一步地，所述配置刀具和工艺参数，包括：
如图2所示，根据实际情况定义工件切削方向尺寸Csize、厚度方向尺寸Hsize、切削距离Cdist、刀具前角αc、刀具后角βc、刀具刃口半径Re、切削速度vc、未变形切屑厚度hc以及单元厚度d。
进一步地，所述S102：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；具体是在已授权发明专利《晶体材料零件三维晶体塑性有限元建模方法及系统(ZL202110332428.6)》基础上，本发明针对晶体金属材料直角微切削仿真需求进行改进，以实现工件的高质量晶粒尺度微结构建模。
进一步地，所述S102：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；具体包括：
S102-1：获取三维真实晶粒尺度微结构信息；
S102-2：基于三维真实晶粒尺度微结构信息，提取工件建模区域的晶粒尺度微结构信息；
S102-3：基于工件建模区域的晶粒尺度微结构信息，建立工件的伪随机晶粒尺度微结构模型。
进一步地，所述S102-1：获取三维真实晶粒尺度微结构信息；具体包括：
通过EBSD(Electron Backscattered Diffraction,电子背向散射衍射)试样采集初始毛坯材料三个垂直侧面的真实晶粒尺度微结构数据，并进行统计分析与整合，得到材料坐标系CS0-XYZ下的三维真实晶粒尺寸分布(XOY面X方向晶粒尺寸分布pdDx_XY、XOZ面X方向晶粒尺寸分布pdDx_XZ、XOY面Y方向晶粒尺寸分布pdDy_XY、YOZ面Y方向晶粒尺寸分布pdDy_YZ、XOZ面Z方向晶粒尺寸分布pdDz_XZ、YOZ面Z方向晶粒尺寸分布pdDz_YZ)，三维真实晶粒取向分布(XOY面晶粒取向分布odfXY、XOZ面晶粒取向分布odfXZ、YOZ面晶粒取向分布odfYZ)以及三维真实晶界取向差分布(XOY面晶界取向差分布mdfXY、XOZ面晶界取向差分布mdfXZ、YOZ面晶界取向差分布mdfYZ)。
进一步地，所述S102-2：基于三维真实晶粒尺度微结构信息，提取工件建模区域的晶粒尺度微结构信息；其中，工件建模区域的晶粒尺度微结构信息，包括：切削方向的晶粒尺寸分布信息pdC、未变形切屑厚度方向的晶粒尺寸分布信息pdH、工件建模区域的晶粒取向分布信息odfCT以及工件建模区域的晶界取向差分布信息mdfCT。
示例性地，基于三维真实晶粒尺度微结构信息，提取工件建模区域相关的晶粒尺度微结构信息；
以直角切削方向C、未变形切屑厚度方向H以及法向T分别与X、Z、Y方向平行的情况为例，切削方向C上的任意晶粒尺寸c在对应晶粒尺寸分布pdC中的概率密度pc计算公式为：
其中，μc和σc是c的对数序列的均值和标准差，计算公式分别为：
其中，mc和vc分别为晶粒尺寸c的数值序列Dc的均值和标准差，而数值序列Dc可利用MATLAB函数lognrnd以切削方向C(平行于X方向)的二维晶粒尺寸分布pdDx_XY和pdDx_XZ为依据伪随机地生成：
Dc＝[lognrnd(μx_XY,σx_XY,nXY+nXZ)]
∪[lognrnd(μx_XZ,σx_XZ,nXY+nXZ)]
其中μx_XY、σx_XY、μx_XZ以及σx_XZ是pdDx_XY和pdDx_XZ的对数正态分布参数，nXY和nXZ分别为XOY侧面和XOZ侧面所采集到内部晶粒的数量。
同理，未变形切屑厚度方向H的任意晶粒尺寸h的概率密度ph计算公式为：
其中，μh和σh是h的对数序列的均值和标准差，计算公式分别为：
其中，mh和vh分别为晶粒尺寸h的数值序列Dh的均值和标准差，而数值序列Dh可利用MATLAB函数lognrnd以未变形切屑厚度方向H(平行于Z方向)的二维晶粒尺寸分布pdDz_XZ和pdDz_YZ为依据伪随机地生成:
Dh＝[lognrnd(μz_XZ,σz_XZ,nXZ+nYZ)]
∪[lognrnd(μz_YZ,σz_YZ,nXZ+nYZ)]
其中μz_XZ、σxz_XZ、μz_YZ以及σz_YZ是pdDz_XZ和pdDz_YZ的对数正态分布参数，nXZ和nYZ分别为XOZ侧面和YOZ侧面所采集到内部晶粒的数量。
切削方向C和未变形切屑厚度方向H分别平行于X和Z方向时，工件建模区域的晶粒取向分布odfCT的计算公式为：
odfCT＝odfXZ；
工件建模区域的晶界取向差分布mdfCT的计算公式为：
mdfCT＝mdfXZ；
进一步地，所述S102-3：基于工件建模区域的晶粒尺度微结构信息，建立工件的伪随机晶粒尺度微结构模型；具体包括：
S102-31：基于建模区域的晶粒尺寸分布pdC和pdH，利用lognrnd函数生成切削方向C和未变形切屑厚度方向H的晶粒尺寸序列，并对晶粒尺寸序列进行优化排布与微调；
S102-32：基于建模区域的晶粒取向分布odfCT，生成晶粒取向序列；
S102-33：基于建模区域的晶界取向差分布mdfCT进行取向赋予，生成工件的晶粒尺度微结构模型，为晶粒尺度微切削仿真奠定基础。
所生成的工件晶粒尺度微结构模型示例如图3所示。
应理解地，S103：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；考虑到晶体材料的应变率敏感性和微切削过程的大范围应变率不均匀性，在虎克定律、晶体塑性理论、相场法以及JC损伤模型的基础上，本发明针对晶体金属材料微切削过程进行改进，以实现晶体金属材料微切削过程中应变率相关的晶粒尺度材料弹性变形-塑性变形-损伤断裂行为的准确定义。
进一步地，所述S103：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；具体包括：
S103-1：定义考虑应变率效应的晶体弹性行为；
S103-2：定义考虑应变率效应的晶体塑性行为；
S103-3：定义考虑应变率效应的损伤演化行为。
进一步地，所述S103-1：定义考虑应变率效应的晶体弹性行为；具体包括：
晶体金属材料中材料点的变形梯度F，能够分解为弹性变形梯度Fe、塑性变形梯度Fp以及损伤变形梯度Fd三部分，即F＝FeFdFp；
其中，弹性变形梯度Fe中的第二类皮奥拉-基尔霍夫Piola-Kirchhoff应力张量S，由格林-拉格朗日Green-Lagrange应变张量E和四阶弹性刚度张量C计算得出，公式为：
S＝C:E
其中，:表示双点乘运算；
其中，应变张量E可由弹性变形梯度Fe和二阶单位张量I计算得出，公式为：
为表征应变率对晶体金属材料弹性变形行为的影响，本发明将弹性刚度张量C定义为：
其中，和kc分别为参考弹性刚度张量和弹性刚度的应变率修正系数，而应变率修正系数与实际应变率/>和参考应变率/>之比/>有关。
进一步地，所述S103-2：定义考虑应变率效应的晶体塑性行为；具体包括：
晶体材料塑性变形梯度Fp的演化方程定义为：
其中，表示塑性变形梯度Fp的变化率；
Lp为塑性速度梯度，其计算公式为：
其中，m0 α、n0 α、分别表示滑移系α的滑移方向单位向量、滑移面法向单位向量以及剪切应变率，ns表示激活滑移系的数量。
其中剪切速率的计算公式为：
其中，ξs、τα、τc α分别为参考剪切应变率、应变率敏感系数、分解剪应力以及临界分解剪应力，sgn()函数用于返回变量的正负号，以保证剪切速率的方向和分解剪应力的方向一致。
临界分解剪应力τc α的演化公式为：
其中，θαβ为滑移系α和β之间的硬化模量，计算公式为：
其中，iαβ表示滑移系之间的交互影响系数，θ0、τ0、τs分别为初始硬化模量、初始滑移抗力以及饱和滑移抗力。
为表征应变率对晶体金属材料塑性变形行为的影响，将上述材料参数定义为：
其中，分别表示参考剪切应变率、滑移应变率敏感系数、初始硬化模量、初始滑移抗力以及饱和滑移抗力的参考值，kμ、kξ、kθ、kτ0、kτs分别为相应参数的应变率修正系数。
进一步地，所述定义考虑应变率效应的损伤演化行为；具体包括：
定义一个标量场来量化材料点的损伤程度，取值范围为1～0，数值为1表示材料点完全未损伤，数值为0表示材料点完全损伤；利用ABAQUS有限元软件将/>的单元删除，实现微切削过程中的材料去除。
损伤场的计算公式为：
其中，Δεp和εf分别表示材料点的等效塑性应变增量和等效断裂应变；
等效断裂应变εf定义为：
其中，为等效断裂应变的参考值，kε为应变率修正系数。
此外，采用应力三轴度η来控制材料点的损伤，拉伸应力状态(应力三轴度η>0)和纯剪切应力状态(η＝0)促进材料断裂，而压缩应力状态(η<0)阻碍材料断裂。
应力三轴度η的计算公式为：
其中，σm和σVM分别为静水压力和Mises等效应力，σ1～σ3为主应力。
应理解地，所述S104：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；为获取不同应变率下的晶粒尺度本构参数，在宏观响应反演法的基础上，本发明公开一种恒应变率本构参数二次标定法，以快速获取不同应变率下的准确参数；然后选定参考应变率与相应的本构参数参考值，计算出不同应变率下的修正系数。
进一步地，所述S104：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；具体包括：
S104-1：采用恒应变率本构参数二次标定方式，获取不同应变率下的参数；
S104-2：选定参考应变率与相应的本构参数参考值，计算出不同应变率下的修正系数。
进一步地，所述S104-1：采用恒应变率本构参数二次标定方式，获取不同应变率下的参数；具体包括：
S104-11：建立服从真实晶粒尺寸分布、取向分布以及取向差分布的微结构依赖代表性体积元模型；
S104-12：开展晶粒尺度微拉伸仿真，并将宏观试验和微观仿真的平均拉伸真应力-真应变曲线进行对比以确定最佳的代表性体积元模型，并标定出贴近材料真实性能的本构参数。
晶粒尺度本构参数的宏观响应反演法，是采用材料的微结构代表性体积元模型开展损伤区域的晶粒尺度模拟，并将仿真结果与宏观试验结果进行比对，通过多次优化尝试以得到最终的晶粒尺度本构参数。
晶粒尺度本构参数的宏观响应反演法，成功实施的首要条件，是构造代表性体积元模型，因此，首先建立服从真实晶粒尺寸分布、取向分布以及取向差分布的微结构依赖代表性体积元模型，其特点为：
(1)形状为长方体且三边平行于基坐标系CS0的三轴；
(2)三个方向上的晶粒数量相等。
为获取最佳的晶粒数量和网格密度，建立了多个具有不同晶粒数量和网格密度的微结构依赖代表性体积元模型，并综合考虑仿真效率和成本，将晶粒数量的范围设置为8(23)～343(73)，网格尺寸以三维晶粒尺寸分布的最小数学期望E为依据，将其范围设置为0.2E～1E。
然后，开展晶粒尺度微拉伸仿真，并将宏观试验和微观仿真的平均拉伸真应力-真应变曲线进行对比以确定最佳的代表性体积元模型，并标定出贴近材料真实性能的本构参数。
由于此时最佳微结构依赖代表性体积元模型和本构参数都是未知的，因此开展“粗-精”二次标定，并通过计算平均应力相对偏差来量化应力应变曲线之间的差异。
首先，通过晶粒数量为8、网格尺寸0.2E的代表性体积元模型进行粗标定以获取本构参数近似值；
然后，利用近似参数，通过对比网格尺寸固定、晶粒数量不同的代表性体积元模型仿真结果，以确定最佳代表性体积元模型对应的晶粒数量；
接下来，利用近似参数，通过对比网格尺寸不同、晶粒数量固定的代表性体积元模型仿真结果，以确定最佳代表性体积元模型对应的晶粒数量；
最后，通过最佳代表性体积元模型进行精标定以获取本构参数准确值。
不同晶粒数量的微结构依赖代表性体积元模型如图4(a)-图4(f)所示，除中间模拟“弹性-塑性-损伤”行为的晶粒聚集体外，在两端设置有仅模拟弹塑性变形行为且取向为[0°0°0°]的端部晶粒，用于边界条件的设置。如图5所示，一端设置对称边界条件，另一端设置沿Z轴的变速率拉伸条件，从而模拟出整体均匀的弹塑性变形，并在中部发生断裂。
基于ABAQUS软件中的固定增量步长和表格型幅值曲线来设置拉伸速率的时变趋势以实现拉伸过程的恒应变率，在单轴拉伸状态下，试样平均应变率可以近似表示为：
其中，和/>分别表示材料点的平均Mises等效应变增量和平均Z向拉伸应变增量，Δt为固定的时间增量步长。
从试样整体出发，增量步k的平均Mises等效应变增量又可近似表示为：
其中，lk和vk分别为增量步k开始时的试样长度和拉伸速率。晶粒数量8～343范围内微结构依赖代表性体积元模型的初始长度范围为：10～37μm。
此时，即可计算出各增量步下的拉伸速度νk：
以0.05s-1应变率下晶粒数量为8的微结构依赖代表性体积元模型拉伸为例，拉伸速度vk和应变率的变化趋势，如图6所示。
进一步地，所述S104-2：选定参考应变率与相应的本构参数参考值，计算出不同应变率下的修正系数；具体包括：
S104-21：通过拉伸试验获取中应变率小于设定阈值(小于1000)下的真实材料变形行为，通过分离式霍普金森压杆试验获取应变率大于等于设定阈值(大于或等于1000)下的真实材料行为；
S104-22：采用恒应变率本构参数二次标定法，标定出指定应变率下的晶粒尺度本构参数；
S104-23：选定其中的一个应变率作为参考应变率，将该应变率下的本构参数作为参考值，计算出不同应变率下的本构参数修正系数。
以镍基高温合金Inconel-718为例，首先通过拉伸试验获取0.05～100s-1应变率下的真实材料变形行为，通过分离式霍普金森压杆试验获取3000～9000s-1应变率下的真实材料行为；然后采用恒应变率本构参数二次标定法即可标定出指定应变率下的晶粒尺度本构参数；不同应变率下的晶粒尺度本构参数如表1所示，不同应变率下仿真和试验的应力-应变曲线如图7所示。
表1不同应变率下的晶粒尺度本构参数值
选定应变率0.05s-1作为参考应变率，将该应变率下的本构参数作为参考值计算比应变率和应变率修正系数，如表2所示。其中参考剪切应变率的修正系数kμ与比应变率/>具有显著的线性相关关系，而其它参数的应变率修正系数与比应变率之间不具有直接的线性相关关系，它们随比应变率的变化趋势，如图8所示。
表2不同应变率下的修正系数
/>
进一步地，所述S105：基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体金属材料微切削过程的模拟；具体包括：
根据微切削工况，在ABAQUS软件中建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型；同时为提高仿真效率，仅在局部区域开展晶粒尺度材料行为模拟，其他区域开展连续介质尺度材料行为模拟，示例如图9所示。
在仿真过程中，利用材料点的等效Mises应变实时计算其应变率：
其中，εVM为等效Mises应变，εxx、εyy、εzz分别为X、Y、Z方向的正应变，τxy、τyz、τzx分别为XY、YZ、ZX剪应变。
然后，根据应变率，通过线性插值实时计算材料点的瞬时晶粒尺度本构参数，实现晶体材料微切削过程的晶粒尺度材料变形行为模拟。
材料点q处的参数λq的数值计算公式为：
其中，λ和分别表示参数和等效应变率，下标L、H分别表示材料点q的应变率/>所处应变率区间的下界和上界，Lmin、Hmin分别表示所标定出本构参数的应变率最小下界和最大上界。/>表示材料点的应变率，λq表示材料点的参数值，/>表示应变率下界，λL表示应变率下界对应的参数值，/>表示应变率最小下界，λLmin表示应变率最小下界对应的参数值，表示应变率上界，λH表示应变率上界对应的参数值，/>表示应变率最大上界，λHmax表示应变率最大上界对应的参数值。
案例中材料点q处的参数λq数值的计算公式为：
其中，和λq分别为材料点q的应变率和本构参数值，λ0.05、λ5、λ100、λ3000、λ6000、λ9000分别为应变率在0.05、5、100、3000、6000、9000时的本构参数值。
实施例二
本实施例提供了考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模系统；
考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模系统，包括：
工况定义模块，其被配置为：定义微切削工况；
建模模块，其被配置为：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
行为定义模块，其被配置为：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
标定模块，其被配置为：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
仿真模块，其被配置为：基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟。
此处需要说明的是，上述工况定义模块、建模模块、行为定义模块、标定模块和仿真模块对应于实施例一中的步骤S101至S105，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
实施例三
本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的方法。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
实施例四
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一所述的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，包括：
定义微切削工况；
基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟；
其中，基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟，具体包括：
根据微切削工况，在ABAQUS软件中建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型；同时为提高仿真效率，仅在局部区域开展晶粒尺度材料行为模拟，其他区域开展连续介质尺度材料行为模拟；在仿真过程中，利用材料点的等效Mises应变实时计算其应变率；然后，根据应变率，通过线性插值实时计算材料点的瞬时晶粒尺度本构参数，实现晶体材料微切削过程的晶粒尺度材料变形行为模拟。
2.如权利要求1所述的考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；具体包括：
获取三维真实晶粒尺度微结构信息；
基于三维真实晶粒尺度微结构信息，提取工件建模区域的晶粒尺度微结构信息；
基于工件建模区域的晶粒尺度微结构信息，建立工件的伪随机晶粒尺度微结构模型。
3.如权利要求1所述的考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；具体包括：
定义考虑应变率效应的晶体弹性行为；定义考虑应变率效应的晶体塑性行为；定义考虑应变率效应的损伤演化行为。
4.如权利要求1所述的考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；具体包括：
采用恒应变率本构参数二次标定方式，获取不同应变率下的参数；
选定参考应变率与相应的本构参数参考值，计算出不同应变率下的修正系数。
5.如权利要求4所述的考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，采用恒应变率本构参数二次标定方式，获取不同应变率下的参数；具体包括：
建立服从真实晶粒尺寸分布、取向分布以及取向差分布的微结构依赖代表性体积元模型；
开展晶粒尺度微拉伸仿真，并将宏观试验和微观仿真的平均拉伸真应力-真应变曲线进行对比以确定最佳的代表性体积元模型，并标定出贴近材料真实性能的本构参数。
6.如权利要求4所述的考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法，其特征是，选定参考应变率与相应的本构参数参考值，计算出不同应变率下的修正系数；具体包括：
通过拉伸试验获取中应变率小于设定阈值下的真实材料变形行为，通过分离式霍普金森压杆试验获取应变率大于等于设定阈值下的真实材料行为；
采用恒应变率本构参数二次标定法，标定出指定应变率下的晶粒尺度本构参数；
选定其中的一个应变率作为参考应变率，将该应变率下的本构参数作为参考值，计算出不同应变率下的本构参数修正系数。
7.考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模系统，其特征是，包括：
工况定义模块，其被配置为：定义微切削工况；
建模模块，其被配置为：基于微切削工况对工件实现晶粒尺度微结构建模，得到工件微结构模型；
行为定义模块，其被配置为：基于微切削工况，定义考虑应变率效应的晶粒尺度微切削材料行为，得到本构模型；
标定模块，其被配置为：基于本构模型，对不同应变率范围下的晶粒尺度本构参数进行标定；
仿真模块，其被配置为：基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟；
其中，基于微切削工况、工件微结构模型、本构模型以及本构参数，建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型，实现考虑应变率效应的晶体材料微切削过程的模拟，具体包括：
根据微切削工况，在ABAQUS软件中建立晶粒尺度直角微切削有限元仿真模型；同时为提高仿真效率，仅在局部区域开展晶粒尺度材料行为模拟，其他区域开展连续介质尺度材料行为模拟；在仿真过程中，利用材料点的等效Mises应变实时计算其应变率；然后，根据应变率，通过线性插值实时计算材料点的瞬时晶粒尺度本构参数，实现晶体材料微切削过程的晶粒尺度材料变形行为模拟。
8.一种电子设备，其特征是，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-6任一项所述方法的指令。
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| CN202210652273.9A CN114974478B (zh) | 2022-06-10 | 考虑应变率的晶体金属材料直角微切削建模方法及系统 |
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