CN117454673B - 考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法及装置。该方法包括：在多个不同的试验温度下，对金属材料进行等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；基于第一试验数据确定第一基础模型的未知参数，确定拟合的高温本构模型；按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；基于拟合的高温本构模型和第二试验数据，获取多个真实塑性应变‑应力差值数据对；基于多个真实塑性应变‑应力差值数据对和即时温度确定第二基础模型的拟合参数，确定拟合的应力差值模型；基于拟合的高温本构模型和拟合的应力差值模型，得到金属材料本构模型。本发明构建的本构模型考虑了降温速率，能更精准描述热冲压过程中材料的流变行为。

Description

考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法及装置
技术领域
本发明属于金属热成形技术领域，具体涉及一种考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法及装置。
背景技术
板材热成形-淬火一体化工艺，又被称为热冲压工艺，该工艺包括将热处理状态下的高温板材快速移入冷模中进行冲压、保压并淬火。热冲压工艺避免了高强度板材冷成形过程易开裂、回弹大等问题，且集成形与热处理一体化，然而在该成形过程中，高温金属板材与冷模具直接接触，受接触传热及辐射散热等因素高温板材冲压过程中温度急剧下降，导致板材变形分布不均且易产生开裂。材料本构模型可以准确反映出不同变形条件下材料的力学行为，对于有限元仿真及工艺优化等极为重要，是最为基本的材料模型之一。
热冲压过程中板材温度急剧发生变化，然而目前所构建的高温本构模型均未考虑降温速率对材料流变行为的影响，都是以恒温条件为背景，如专利文献CN201810258134.1、专利文献CN202011167354.7、专利文献CN202110169861.2。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涉及降温速率的金属材料本构模型的构建方法，采用该构建方法构建的本构模型能够更精准描述热冲压过程中材料的流变行为，以更好的分析板材温度变化对其力学性能的影响。
为实现上述目的，本发明提供一种考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，包括以下步骤：
步骤（1）、在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对；
步骤（2）、使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型；
步骤（3）、在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组；
步骤（4）、基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对；
步骤（5）、将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数，得到拟合的应力差值模型；
步骤（6）、基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（1）包括：
在每个试验温度下，分别对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取与每个试验温度对应的多个工程应力-工程应变数据对；
基于转换公式，获取与每个工程应力-工程应变数据对相对应的真实应力-真实应变数据对；
将每个相同的试验温度对应的多个真实应力-真实应变数据对进行数据归集，得到多个第一数据集；
基于数据归集获取所述第一试验数据，所述第一试验数据包括全部试验温度对应的多个第一数据集和多个不同的试验温度，且多个所述第一数据集和多个不同的试验温度具有一一对应关系。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（2）包括：
基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个第一数据集中与每个真实应力-真实应变数据对相对应的真实应力-真实塑性应变数据对；
从每个试验温度对应的多个真实应力-真实塑性应变数据对中按照第一预设规则选取第一预设数量个真实应力-真实塑性应变数据对作为第一模型数据；
将所述第一模型数据中的每个真实应力-真实塑性应变数据对和与所述真实应力-真实塑性应变数据对相对应的试验温度作为一个第一拟合数据组，获取多个第一拟合数据组；
使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，将每个所述第一拟合数据组分别代入第一基础模型进行拟合，确定所述第一基础模型中的未知参数的拟合值；
将未知参数的所述拟合值代入所述第一基础模型得到拟合的高温本构模型。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（3）包括：
在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，每次非等温单轴拉伸试验对应获取一组原始数据，每组所述原始数据包括多个工程应力-工程应变-即时温度数据组；
基于转换公式，获取与每个所述工程应力-工程应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实应变-即时温度数据组；
将每个降温速率对应的多个真实应力-真实应变-即时温度数据组进行数据归集，得到至少一个第二数据集；
获取第二试验数据，所述第二试验数据包括全部第二数据集。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（4）包括：
基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个所述第二数据集中与每个真实应力-真实应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组；
从每个降温速率对应的多个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中按照第二预设规则选取第二预设数量个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组作为第二模型数据；
将所述第二模型数据中的每个数据组中的真实塑性应变和即时温度分别代入所述拟合的高温本构模型进行计算，获取多个预测应力值；
计算每个所述预测应力值和与所述预测应力值对应的真实应力值的差值，得到多个应力差值；
将每个应力差值和与所述应力差值对应的真实塑性应变进行组合，得到多个真实塑性应变-应力差值数据对。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（5）包括：
将每个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度作为一个第二拟合数据组，获取多个第二拟合数据组；
对F-B高温本构方程进行求一阶导数，获取第二基础模型；
将每个所述第二拟合数据组分别代入所述第二基础模型，确定所述第二基础模型的拟合参数的拟合值；
将所述拟合参数的拟合值代入所述第二基础模型得到拟合的应力差值模型。
在一种具体的实施方式中，所述第二基础模型为：
其中为弹性应变；/>为真实塑性应变；/>为塑性应变率；/>为总应变；为真实应力；/>为降温速率；Tb为即时温度，单位开尔文；Z、q、m、b、S为材料常数，c、d是跟应变相关的参数，q1=q-1。
在一种具体的实施方式中，所述步骤（6）包括：
将所述拟合的高温本构模型中的温度参数修正为，得到修正后的高温本构模型，其中T0为预设的初始温度，/>为降温速率，/>为塑性应变增量；/>为塑性应变率；
将所述修正后的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型进行线性叠加得到所述金属材料本构模型。
在一种具体的实施方式中，所述金属材料本构模型如下：
其中，为塑性应变率，/>为真实塑性应变，/>为弹性应变，/>为总应变，
为真实应力，/>为塑性应变增量，H为加工硬化，σy为初始屈服强度，K为材料阻力系数，n为材料粘性系数，/>为归一化的位错密度，B为材料常数，W为材料损伤，/>为材料损伤率，当W大于0.7时，材料视为失效；H、σy、K、n、n1、B、A、C、D1、D2、D3、D4是和温度相关的参数；Z、q、m、b、S为材料常数；q1=q-1，c、d是跟应变相关的参数；Fi代表第i个参数，fi是与温度无关的补偿参数，Qi代表激活能；I是由参数的个数决定，R是气体常数，/>为降温速率；T0为预设的初始温度，Tb为即时温度，单位均为开尔文。
本发明还提供一种构建金属材料本构模型的装置，所述装置包括：
第一获取模块，所述第一获取模块用于在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对；
第一拟合模块，所述第一拟合模块用于使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型；
第二获取模块，所述第二获取模块用于在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组；
第三获取模块，所述第三获取模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对；
第二拟合模块，所述第二拟合模块用于将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数，得到拟合的应力差值模型；
确定模块，所述确定模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型。
本发明的有益效果至少包括：
本发明提供的构建方法包括以下步骤：在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型；在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对；将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数得到拟合的应力差值模型；基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型；本发明在构建金属材料本构模型时考虑了降温速率对流变行为的影响，构建得到的金属材料本构模型可以准确的反映实际金属热冲压过程中的温度变化情况，与实际情况更为接近，可以准确预测热冲压过程中金属材料的高温流变行为。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法的步骤流程图；
图2为本发明提供的不同试验温度下的真实应力-真实塑性应变的试验散点图及拟合曲线；
图3为本发明提供的7℃/s温降速率、应变速率0.01 s-1下的真实应力-真实塑性应变曲线及真实塑性应变-即时温度曲线；
图4为本发明提供的7℃/s降温速率，应变速率0.01 s-1下，真实塑性应变-应力差值的试验散点图及拟合曲线；
图5为本发明一实施例提供的构建金属材料本构模型的装置的模块图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖多种不同实施方式。
请参阅图1，本发明提供一种考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，采用该构建方法构建的本构模型可以准确的反映实际金属热冲压过程中的温度变化情况，与实际情况更为接近，可以准确预测热冲压过程中金属材料的高温流变行为。
本发明提供的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，包括以下步骤：
步骤S10、在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对。
该步骤通过多次等温单轴拉伸试验，获取不同的试验温度下包括工程应力和工程应变的原始试验数据，再通过转换公式将工程应力转换为真实应力、及工程应变转换为真实应变，方便后续步骤使用。需要说明的是，也可以在步骤S20将原始试数据通过转换公式进行转换。
具体地，该步骤包括：
步骤1）在每个试验温度下，分别对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取与每个试验温度对应的多个工程应力-工程应变数据对。
在本实施例中，所采用的金属材料为7075铝合金。
在本实施例中，共进行了5次等温单轴拉伸试验，对应的5个试验温度分别为200℃、250℃、300℃、350℃、400℃；所述预设应变速率为0.01s-1。
在本实施例中，与每个试验温度对应的工程应力-工程应变数据对的数量为100~1000对，可以理解的是，工程应力-工程应变数据对包括工程应力和工程应变两个数据，且同一数据对中的工程应力和工程应变是具有对应关系的。
步骤2）基于转换公式，获取与每个工程应力-工程应变数据对相对应的真实应力-真实应变数据对。
所述转换公式包括：
其中，为真实应变，/>为真实应力，/>为工程应变，/>为工程应力。
步骤3）将每个相同的试验温度对应的多个真实应力-真实应变数据对进行数据归集，得到多个第一数据集。
该步骤具体为：首先将一个相同的试验温度对应的多个真实应力-真实应变数据对进行数据归集，得到一个数据集，然后再依次将其他的试验温度对应的多个真实应力-真实应变数据对进行数据归集，从而得到多个第一数据集；或者每个第一数据集的归集步骤同时进行。
在本实施例中，共包括5个不同的试验温度，相应的，得到5个第一数据集，即试验温度200℃对应一个第一数据集，试验温度 250℃对应一个第一数据集，试验温度300℃对应一个第一数据集，试验温度350℃对应一个第一数据集，试验温度400℃对应一个第一数据集。
步骤4）基于数据归集获取所述第一试验数据，所述第一试验数据包括全部试验温度对应的多个第一数据集和多个不同的试验温度，且多个所述第一数据集和多个不同的试验温度具有一一对应关系。
该步骤具体为：将步骤3）获取的多个第一数据集和与多个第一数据集对应的试验温度进行数据归集，得到第一试验数据。
在本实施例中，所述第一试验数据包括5个第一数据集和5个试验温度，且5个第一数据集和5个试验温度一一对应。可以理解的是，在目标第一数据集和目标试验温度具有对应关系时，目标第一数据集中的多个真实应力-真实应变数据对与目标试验温度同样具有对应关系。
步骤S20、使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型。
此处需要说明的是，在确定第一基础模型中的未知参数时，可以使用全部的第一试验数据进行拟合，也可以使用部分第一试验数据拟合。可以理解的是，使用的第一试验数据越多，则拟合度越好，但鉴于随着使用的第一试验数据增加，数据计算量增大，但拟合精度提升不明显时，则综合考虑，使用部分第一试验数据即可。
在一种实施方式中，步骤S20包括：
步骤（1）基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个第一数据集中与每个真实应力-真实应变数据对相对应的真实应力-真实塑性应变数据对。
真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，其中，弹性应变为固定值，在已知真实应变的情况下，计算真实应变和弹性应变的差值就可以得到真实塑性应变，得到真实塑性应变之后，再将真实应力-真实应变数据对中的真实应变数据替换为真实塑性应变，即可得到真实应力-真实塑性应变数据对。
请结合参阅图2，图2所示的散点图为5个不同试验温度对应的真实应力和真实塑性应变的曲线图。
步骤（2）从每个试验温度对应的多个真实应力-真实塑性应变数据对中按照第一预设规则选取第一预设数量个真实应力-真实塑性应变数据对作为第一模型数据。
在本实施例中，第一预设规则为等真实塑性应变间隔选取。为了方便理解，举例说明，假设选择的第一个真实应力-真实塑性应变数据对中的真实塑性应变为0.03，并确定间隔为0.005，那么，第二个真实应力-真实塑性应变数据对中的真实塑性应变为0.035，第三个真实塑性应变则为0.04，第四个真实塑性应变则为0.045……，依此类推。
优选地，第一预设数量为15~40个。
在本实施例中，所述第一预设数量为20个，第一模型数据共包括20*5个真实应力-真实塑性应变数据对。
步骤（3）将所述第一模型数据中的每个真实应力-真实塑性应变数据对和与所述真实应力-真实塑性应变数据对相对应的试验温度作为一个第一拟合数据组，获取多个第一拟合数据组。
每个真实应力-真实应变数据对和试验温度具有对应关系，相应的，每个真实应力-真实塑性应变数据对和试验温度同样具有对应关系。
为了方便理解，举例说明，假设在进行单温单轴拉伸试验时，在试验温度为250℃，获取了多个工程应力-工程应变数据对，表示为Mi-1-Ni-1，通过转换公式计算得到的真实应力-真实应变数据对，表示为Mi-2-Ni-2，再通过差值计算公式转换为真实应力-真实塑性应变数据对，表示为Mi-2-Ni-3，那么Mi-1-Ni-1、Mi-2-Ni-2、Mi-2-Ni-3与试验温度250℃均具有对应关系。
基于上述举例，对应250℃的第一拟合数据组包括20个数据包，可以表示为Mi-2-Ni-3-250℃，i的值为1，2，3……20。
在本实施例中，第一拟合数据组的数量为100个。
步骤（4）使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，将每个所述第一拟合数据组分别代入第一基础模型进行拟合，确定所述第一基础模型中的未知参数的拟合值。
在本发明中，第一基础模型对应的方程组为：
其中，
为塑性应变率，/>为真实塑性应变，/>为真实应力，H为加工硬化，σy为初始屈服强度，K为材料阻力系数，n为材料粘性系数，/>为归一化的位错密度，B为材料常数，W为材料损伤，/>为材料损伤率，当W大于0.7时，材料视为失效；其中，H、σy、K、n、n1、B、A、C、D1、D2、D3、D4是和温度相关的参数；Fi代表第i个参数，fi是与温度无关的补偿参数，Qi代表激活能；I是由参数的个数决定，R是气体常数，/>为试验温度，单位是开尔文。
在本发明中，未知参数包括H、σy、K、n、n1、B、A、C、D1、D2、D3、D4。
在本发明中，通过快速非支配遗传算法，确定第一基础模型中未知参数的拟合值，其中，适应度计算函数（如公式（1）所示）用来计算试验值和计算值的“距离”。
式中，f（X）为适应度，X为本构模型中材料参数，X=[x1，x2，...]。M为通过试验所获得试验曲线数目，N为第j条真实应力-真实塑性应变曲线上所取的试验数据点数，i为第j条试验曲线上的第i个试验点，r为试验与计算数据的“距离”，表达式为：
式中，上标e为试验值，c为计算值。上式是从真实应力和真实塑性应变两个方面不断缩小计算值与试验值的差值，权重可以表示为：
步骤（5）、将未知参数的所述拟合值代入所述第一基础模型得到拟合的高温本构模型。
请结合参阅图2，图2所示的曲线为基于拟合的高温本构模型构建的真实塑性应变和真实应力的拟合曲线图。
在另一种实施方式中，步骤S20还可以包括：
步骤（1）、从每个所述第一数据集中按照第一预设规则选取第一预设数量个真实应力-真实应变数据对作为目标真实应力-真实应变数据对。
在本实施例中，第一预设规则为等真实应变间隔选取。
优选地，第一预设数量为15~40个。
在本实施例中，所述第一预设数量为20个，即每个所述第一数据集中的目标真实应力-真实应变数据对的数量为20个，在第一数据集为5个时，则目标真实应力-真实应变数据对的数量为100个。
步骤（2）、将每个目标真实应力-真实应变数据对分别转换为真实应力-真实塑性应变数据对，并作为第一模型数据。
真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，其中，弹性应变为固定值，在已知真实应变的情况下，计算真实应变和弹性应变的差值就可以得到真实塑性应变，得到真实塑性应变之后，再将目标真实应力-真实应变数据对中的真实应变数据替换为真实塑性应变，即可得到真实应力-真实塑性应变数据对。
步骤（3）、将所述第一模型数据中的每个真实应力-真实塑性应变数据对和与所述真实应力-真实塑性应变数据对相对应的试验温度作为一个第一拟合数据组，获取多个第一拟合数据组。
步骤（4）、使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，将每个所述第一拟合数据组分别代入第一基础模型进行拟合，确定所述第一基础模型中的未知参数的拟合值。
步骤（5）、将未知参数的所述拟合值代入所述第一基础模型得到拟合的高温本构模型。
在步骤S20对应的两种实施方式，主要是步骤S20的步骤（1）和步骤（2）存在区别，步骤（3）至步骤（5）相同，步骤（3）至步骤（5）参考上文的描述，在此不再赘述。
步骤S20中，在求解第一基础模型中的未知参数时，需要将试验温度、真实应力和真实塑性形变代入方程组中，再通过拟合的方法进行求解。在本实施例中，共代入了100组第一拟合数据组，100组第一拟合数据组的获取方法，可以为先将每个第一数据集中所有的真实应变转换为真实塑性应变后，再按等真实塑性应变间隔从每个试验温度对应的真实应力-真实塑性应变对中选择20个数据对，作为拟合用的数据；同时，也可以从每个第一数据集中按等真实应变间隔选取20个真实应力-真实应变数据对，然后再将被选择的100个真实应力-真实应变数据对转换为真实应力-真实塑性应变对，作为拟合用的数据，上述两种方法均可。
步骤S30、在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组。
该步骤包括：
步骤（1）、在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，每次非等温单轴拉伸试验对应获取一组原始数据，每组所述原始数据包括多个工程应力-工程应变-即时温度数据组。
在本实施例中，仅进行了一次非等温单轴拉伸试验，非等温单轴拉伸试验的相关参数包括：预设的初始温度为450℃，预设应变速率为0.01 s-1，预设降温速率为7℃/s。
可以理解的是，进行多次非等温单轴拉伸试验，获取的原始数据更多，在后续的拟合步骤，拟合的模型精度会更高。
具体地，该步骤使用gleeble3500热模拟机进行450℃初始温度下，0.01 s-1应变速率、7℃/s温降速率下的非等温单轴拉伸试验，并获取450℃初始温度、7℃/s降温速率、0.01s-1应变速率下的工程应力-工程应变-即时温度数据。
步骤（2）、基于转换公式，获取与每个所述工程应力-工程应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实应变-即时温度数据组。
该步骤需要将原始数据中的工程应力转换为真实应力，工程应变转换为真实应变，而即时温度保持不变。
具体地，所述转换公式包括：
其中，为真实应变，/>为真实应力，/>为工程应变，/>为工程应力。
步骤（3）、将每个降温速率对应的多个真实应力-真实应变-即时温度数据组进行数据归集，得到至少一个第二数据集。
为方便理解，举例说明，假设按照三个降温速率进行了三次非等温单轴拉伸试验，三个降温速率分别为4℃/s 、7℃/s和10℃/s，该步骤具体为首先将其中一个降温速率的对应的多个真实应力-真实应变-即时温度数据组进行数据归集，得到一个第二数据集，然后再依次将另外两个降温速率对应的多个真实应力-真实应变-即时温度数据组进行数据归集，从而得到三个第二数据集；或者，分别同时对三个第二数据集的数据进行归集。
在本实施例中，仅进行了一个降温速率的非等温单轴拉伸试验，则第二数据集的数量为一个。
步骤（4）、获取第二试验数据，所述第二试验数据包括全部第二数据集。
若进行了三个降温速率的试验，则第二试验数据包括三个第二数据集，若只进行了一个降温速率的试验，则第二试验数据包括一个第二数据集。
步骤S40、基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对。
在一种实施方式中，该步骤包括：
步骤（a）、基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个所述第二数据集中与每个真实应力-真实应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组。
真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，其中，弹性应变为固定值，在已知真实应变的情况下，计算真实应变和弹性应变的差值就可以得到真实塑性应变，得到真实塑性应变之后，再将真实应力-真实应变-即时温度数据组中的真实应变替换为真实塑性应变，得到真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组。
请结合参阅图3，图3是基于真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组绘制的真实塑性应变-真实应力曲线和真实塑性应变-即时温度曲线。
步骤（b）、从每个降温速率对应的多个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中按照第二预设规则选取第二预设数量个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组作为第二模型数据。
在本发明中，第二预设规则为等真实塑性应变间隔选取。为了方便理解，举例说明，假设选择的第一个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中的真实塑性应变为0.03，并确定间隔为0.005，那么，第二个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中的真实塑性应变为0.035，第三个真实塑性应变则为0.04，第四个真实塑性应变则为0.045……，依此类推。
在本发明中，所述第二预设数量个为15~40。
在本实施例中，所述第二预设数量个为20个，即选取了20个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组在后续步骤中进行计算。
步骤（c）、将所述第二模型数据中的每个数据组中的真实塑性应变和即时温度分别代入所述拟合的高温本构模型进行计算，获取多个预测应力值。
在已知真实塑性应变和即时温度的情况下，通过拟合的高温本构模型计算预测应力值。
步骤（d）、计算每个所述预测应力值和与所述预测应力值对应的真实应力值的差值，得到多个应力差值。
将真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中真实塑性应变和即时温度代入拟合的高温本构模型计算得到的预测应力值，与该数据组中的真实应力是对应的。
为了方便理解，举例说明，一个数据组表示为AA-BB-CC，把BB和CC代入拟合的高温本构模型计算得到的预测应力值为DD，与预测应力值DD相对应的真实应力值即真实塑性应变所在数据组中的真实应力值AA；计算AA-DD的差值，就得到应力差值EE；其中AA为真实应力，BB为真实塑性应变，CC为即时温度，DD为预测应力值，EE为应力差值。
步骤（e）、将每个应力差值和与所述应力差值对应的真实塑性应变组合为一个真实塑性应变-应力差值数据对，得到多个真实塑性应变-应力差值数据对。
基于步骤（d）的举例，将BB和EE进行组合得到BB-EE，即一个真实塑应变-应力差值数据对。
请结合参阅图4，图4所示的散点图为计算得到的应力差值和真实塑性应变对应的图。
在另一种实施方式中，步骤S40还可以包括：
步骤（a）、从每个所述第二数据集中按照第二预设规则选取第二预设数量个真实应力-真实应变-即时温度数据组作为目标真实应力-真实应变-即时温度数据组。
在本实施例中，第二预设规则为等真实应变间隔选取。
优选地，第二预设数量为15~40个。
在本实施例中，所述第二预设数量为20个，即每个所述第二数据集中的真实应力-真实应变-即时温度数据组的数量为20个，在第二数据集为1个时，则目标真实应力-真实应变-即时温度数据组的数量为20个。
步骤（b）、将目标真实应力-真实应变-即时温度数据组分别转换为真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组，并作为第二模型数据。
真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，其中，弹性应变为固定值，在已知真实应变的情况下，计算真实应变和弹性应变的差值就可以得到真实塑性应变，得到真实塑性应变之后，再将标真实应力-真实应变-即时温度数据组中的真实应变数据替换为真实塑性应变，即可得到真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组。
步骤（c）、将所述第二模型数据中的每个数据组中的真实塑性应变和即时温度分别代入所述拟合的高温本构模型进行计算，获取多个预测应力值。
步骤（d）、计算每个所述预测应力值和与所述预测应力值对应的真实应力值的差值，得到多个应力差值。
步骤（e）、将每个应力差值和与所述应力差值对应的真实塑性应变进行组合，得到多个真实塑性应变-应力差值数据对。
在步骤S40对应的两种实施方式中，主要是步骤（a）和步骤（b）存在区别，步骤（c）至步骤（e）相同，可以参考上文的描述，在此不再赘述。
在本发明中，第二数据集的数量为一个，第二预设数量为20个，即步骤S40共选取20个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组，作为第二模型数据。第二模型数据的获取方法可以为：将所有的真实应变转换为真实塑性应变后再按等真实塑性应变间隔从真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中选择20个数据组，作为第二模型数据；或者，也可以先从真实应力-真实应变-即时温度数据组中按照等真实应变间隔选择20个数据组，然后再将被选择的20个真实应力-真实应变-即时温度数据组转换为真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组，作为第二模型数据，上述两种方法均可。
步骤S50、将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数，得到拟合的应力差值模型。
步骤S50包括：
步骤（1）、将每个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度作为一个第二拟合数据组，获取多个第二拟合数据组。
与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度指的是真实塑性应变对应的数据组中的即时温度。
为了方便理解，基于步骤S40的举例进行进一步说明，步骤S40获取的一个真实塑应变-应力差值数据对表示为BB-EE，其中的BB对应数据组AA-BB-CC中的真实塑性应变，则真实塑应变-应力差值数据对BB-EE相对应的即时温度为CC。
步骤（2）、对F-B高温本构方程进行求一阶导数，获取第二基础模型。
F-B高温本构方程的公式为：
其中为弹性应变；/>为真实塑性应变；/>为塑性应变率；/>为总应变；为真实应力；Tb为即时温度；Z、q、m、b、S为材料常数。
上述公式两边同时对时间微分（应变速率在方程中为常数）：
在稳定阶段，并化简得到第二基础模型：
式中，q1=q-1，c、d是跟应变相关的参数；Tb为即时温度，单位为开尔文；为降温速率。
步骤（3）、将每个所述第二拟合数据组分别代入所述第二基础模型，确定所述第二基础模型的拟合参数的拟合值。
在本发明中，通过快速非支配遗传算法，确定第二基础模型的拟合参数的拟合值，拟合参数包括Z、m、b、S、q1、c、d。
步骤（4）、将所述拟合参数的拟合值代入所述第二基础模型得到拟合的应力差值模型。
请结合参阅图4，图4所示的曲线为基于应力差值模型构建的真实塑性应变和应力差值的拟合曲线图。
步骤S60、基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型。
该步骤包括：（1）将所述拟合的高温本构模型中的温度参数修正为，得到修正后的高温本构模型，其中T0为预设的初始温度（单位为开尔文）；/>为降温速率；为塑性应变增量；/>为塑性应变率。
在本发明中，预设的初始温度T0为450℃，对应的开尔文温度为723K。
（2）将所述修正后的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型进行线性叠加得到所述金属材料本构模型。
所述金属材料本构模型如下：
其中，为塑性应变率，/>为真实塑性应变，/>为弹性应变，/>为总应变，
为真实应力，/>为塑性应变增量，H为加工硬化，σy为初始屈服强度，K为材料阻力系数，n为材料粘性系数，/>为归一化的位错密度，B为材料常数，W为材料损伤，/>为材料损伤率，当W大于0.7时，材料视为失效；H、σy、K、n、n1、B、A、C、D1、D2、D3、D4是和温度相关的参数；Z、q、m、b、S为材料常数；q1=q-1，c、d是跟应变相关的参数；Fi代表第i个参数，fi是与温度无关的补偿参数，Qi代表激活能；I是由参数的个数决定，R是气体常数，/>为降温速率；T0为预设的初始温度，Tb为即时温度，单位均为开尔文。
在本实施例中，T0=723K。
请结合参阅图5，本发明还提供一种构建金属材料本构模型的装置100，所述装置包括：
第一获取模块101，所述第一获取模块用于在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对。
第一拟合模块102，所述第一拟合模块用于使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型。
第二获取模块103，所述第二获取模块用于在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组。
第三获取模块104，所述第三获取模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对。
第二拟合模块105，所述第二拟合模块用于将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数得到拟合的应力差值模型。
确定模块106，所述确定模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型。
需要说明的是，图5对应的实施例中未提及的内容以及各个模块、单元执行步骤的具体实现方式可参见图1至图4所示实施例以及前述内容，这里不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对；
步骤(2)、使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型；
步骤(3)、在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组；
步骤(4)、基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对；
步骤(5)、将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数，得到拟合的应力差值模型；
步骤(6)、基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型，其中：
所述步骤(6)包括：
将所述拟合的高温本构模型中的温度参数修正为得到修正后的高温本构模型，其中，T0为预设的初始温度，单位开尔文；/>为降温速率；Δεp为塑性应变增量；为塑性应变率；
将所述修正后的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型进行线性叠加得到所述金属材料本构模型。
2.根据权利要求1所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
在每个试验温度下，分别对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取与每个试验温度对应的多个工程应力-工程应变数据对；
基于转换公式，获取与每个工程应力-工程应变数据对相对应的真实应力-真实应变数据对；
将每个相同的试验温度对应的多个真实应力-真实应变数据对进行数据归集，得到多个第一数据集；
基于数据归集获取所述第一试验数据，所述第一试验数据包括全部试验温度对应的多个第一数据集和多个不同的试验温度，且多个所述第一数据集和多个不同的试验温度具有一一对应关系。
3.根据权利要求1所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个第一数据集中与每个真实应力-真实应变数据对相对应的真实应力-真实塑性应变数据对；
从每个试验温度对应的多个真实应力-真实塑性应变数据对中按照第一预设规则选取第一预设数量个真实应力-真实塑性应变数据对作为第一模型数据；
将所述第一模型数据中的每个真实应力-真实塑性应变数据对和与所述真实应力-真实塑性应变数据对相对应的试验温度作为一个第一拟合数据组，获取多个第一拟合数据组；
使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，将每个所述第一拟合数据组分别代入第一基础模型进行拟合，确定所述第一基础模型中的未知参数的拟合值；
将未知参数的拟合值代入所述第一基础模型得到拟合的高温本构模型。
4.根据权利要求1所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，每次非等温单轴拉伸试验对应获取一组原始数据，每组所述原始数据包括多个工程应力-工程应变-即时温度数据组；
基于转换公式，获取与每个所述工程应力-工程应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实应变-即时温度数据组；
将每个降温速率对应的多个真实应力-真实应变-即时温度数据组进行数据归集，得到至少一个第二数据集；
获取第二试验数据，所述第二试验数据包括全部第二数据集。
5.根据权利要求1所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：
基于真实应变为弹性应变和真实塑性应变之和，获取每个所述第二数据集中与每个真实应力-真实应变-即时温度数据组对应的真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组；
从每个降温速率对应的多个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组中按照第二预设规则选取第二预设数量个真实应力-真实塑性应变-即时温度数据组作为第二模型数据；
将所述第二模型数据中的每个数据组中的真实塑性应变和即时温度分别代入所述拟合的高温本构模型进行计算，获取多个预测应力值；
计算每个所述预测应力值和与所述预测应力值对应的真实应力值的差值，得到多个应力差值；
将每个应力差值和与所述应力差值对应的真实塑性应变进行组合，得到多个真实塑性应变-应力差值数据对。
6.根据权利要求1至5任一项所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：
将每个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度作为一个第二拟合数据组，获取多个第二拟合数据组；
对F-B高温本构方程进行求一阶导数，获取第二基础模型；
将每个所述第二拟合数据组分别代入所述第二基础模型，确定所述第二基础模型的拟合参数的拟合值；
将所述拟合参数的拟合值代入所述第二基础模型得到拟合的应力差值模型。
7.根据权利要求6所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述第二基础模型为：
其中ε0为弹性应变；εp为真实塑性应变；为塑性应变率；εt为总应变；σtrue为真实应力；/>为降温速率；Tb为即时温度，单位开尔文；Z、q、m、b、S为材料常数；c、d是跟应变相关的参数；q1＝q-1。
8.根据权利要求1所述的考虑降温速率的金属材料本构模型构建方法，其特征在于，所述金属材料本构模型如下：
其中，为塑性应变率，εp为真实塑性应变，ε0为弹性应变，εt为总应变，σtrue为真实应力，Δεp为塑性应变增量，H为加工硬化，σy为初始屈服强度，K为材料阻力系数，n为材料粘性系数，/>为归一化的位错密度，B为材料常数，W为材料损伤，/>为材料损伤率，当W大于0.7时，材料视为失效；H、σy、K、n、n1、B、A、C、D1、D2、D3、D4是和温度相关的参数；Z、q、m、b、S为材料常数；q1＝q-1，c、d是跟应变相关的参数；Fi代表第i个参数，fi是与温度无关的补偿参数，Qi代表激活能；I是由参数的个数决定，R是气体常数，/>为降温速率；T0为预设的初始温度，Tb为即时温度，单位均为开尔文。
9.一种构建金属材料本构模型的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，所述第一获取模块用于在多个不同的试验温度下，对金属材料进行预设应变速率的等温单轴拉伸试验，获取第一试验数据；其中，所述第一试验数据包括多个不同的试验温度、及与多个不同的试验温度一一对应的多个第一数据集，每个第一数据集包括多个真实应力-真实应变数据对；
第一拟合模块，所述第一拟合模块用于使用考虑损伤的统一粘塑性高温本构模型作为第一基础模型，基于所述第一试验数据，确定所述第一基础模型中的未知参数，得到拟合的高温本构模型；
第二获取模块，所述第二获取模块用于在预设的初始温度和所述预设应变速率下，按照至少一个降温速率进行非等温单轴拉伸试验，获取第二试验数据；其中，所述第二试验数据包括与每个降温速率一一对应的至少一个第二数据集，每个所述第二数据集包括多个真实应力-真实应变-即时温度数据组；
第三获取模块，所述第三获取模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述第二试验数据，获取多个真实塑性应变-应力差值数据对；
第二拟合模块，所述第二拟合模块用于将对F-B高温本构方程进行求导获得的方程式作为第二基础模型，基于多个真实塑性应变-应力差值数据对和与所述真实塑性应变-应力差值数据对相对应的即时温度，确定所述第二基础模型的拟合参数，得到拟合的应力差值模型；
确定模块，所述确定模块用于基于所述拟合的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型，得到所述金属材料本构模型，其中：
所述确定模块还用于：
将所述拟合的高温本构模型中的温度参数修正为得到修正后的高温本构模型，其中，T0为预设的初始温度，单位开尔文；/>为降温速率；Δεp为塑性应变增量；/>为塑性应变率；
将所述修正后的高温本构模型和所述拟合的应力差值模型进行线性叠加得到所述金属材料本构模型。
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