CN108416109B - 加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法 - Google Patents

加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，包括：(1)进行准静态试验及准静态试验的数值仿真，数值仿真使用原始本构模型Ⅰ，比较准静态试验和数值仿真的结果以验证应变强化项是否准确，若不准确则校正应变强化项，校正后得本构模型Ⅱ再执行(2)；(2)通过高温硬度试验验证温度软化项是否准确，若不准确则校正温度软化项，校正后得本构模型Ⅲ再执行(3)；(3)进行加工试验及该加工的过程的数值仿真，数值仿真使用本构模型Ⅲ，比较加工试验结果和数值仿真结果验证应变率强化项是否准确，若不准确则校正应变率强化项，校正后得本构模型Ⅳ。它具有如下优点：有效提高材料本构模型的精度，进而保证了加工过程数值仿真的精度。

Description

加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法
技术领域
本发明涉及一种加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法。
背景技术
数值仿真技术是深入研究加工过程的重要手段，通过数值可以获得试验无法获得的物理量。材料的本构模型是数值仿真过程中从应变到应力求解过程中的桥梁，也是加工过程数值仿真中最重要的模型。加工过程数值仿真所使用的材料的本构模型与其他数值仿真过程所采用的材料本构模型相比较为复杂，所包含的内容也相对丰富。研究表明材料的本构模型是影响数值仿真精度最重要的因素，因此材料的本构模型精度的验证和校正对提高数值仿真的精度十分必要。
霍普金森压杆测试是获取材料本构的一种重要手段，通过霍普金森压杆测试技术获取不同应变、应变率、温度下的流动应力，然后将其统一到一个数学表达式，即可建立材料的本构模型。材料的本构模型主要有Power-Law(PL模型)、Johnson-Cook(JC模型)、Zerilli-Armstrong(ZA模型)、Zener-Hollomon(ZH模型)，Bodner-Partom(BP模型)、Mechanical Threshold Stress(MTS模型)等，其中最常用于加工过程数值仿真的主要有PL模型和JC模型。这两种模型的表达式均是应变强化项、应变率强化项和温度软化项三项的乘积，而这三项又是相互独立的，因此精度较低。
发明内容
本发明提供了加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，其克服了背景技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，包括：
步骤(1)，验证和校正应变强化项：进行准静态试验及该准静态试验的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是原始本构模型Ⅰ，比较准静态试验和数值仿真的结果以验证本构模型应变强化项是否准确，若准确则本构模型Ⅰ定义为本构模型Ⅱ再执行步骤(2)，若不准确则校正应变强化项，校正后得到本构模型Ⅱ再执行步骤(2)；
步骤(2)，验证和校正温度软化项：通过高温硬度试验验证本构模型Ⅱ的温度软化项是否准确，若准确则本构模型Ⅱ定义本构模型Ⅲ再执行步骤(3)，若不准确则校正温度软化项，校正后得到本构模型Ⅲ再执行步骤(3)；
步骤(3)，验证和校正应变率强化项：进行加工试验及该加工的过程的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是本构模型Ⅲ，比较加工试验结果和数值仿真结果验证应变率强化项是否准确，若不准确则校正应变率强化项，校正后得到本构模型Ⅳ。
一实施例之中：该步骤(1)中的准静态试验在实施过程中应变率低于0.001s-1，该准静态试验包括准静态压缩试验、准静态压痕试验及准静态划痕试验中的至少一种。
一实施例之中：该步骤(3)中的加工试验，实施过程中材料的应变率高于1000s-1，且变形区的最大温度高于300℃，该加工试验包括切削试验及单颗磨粒划擦试验中的至少一种。
一实施例之中：该校正方法用于校正PL模型和JC模型的本构模型；
该应变强化项中：比较准静态试验和数值仿真的结果，如准静态试验和数值仿真相差小于5％，则认定为应变强化项准确，否则认定不准确；
该应变率强化项中：比较加工试验结果和数值仿真的结果，如加工试验结果和数值仿真相差小于5％，则认定为应变率强化项准确，否则认定不准确。
一实施例之中：PL模型的材料本构模型的表达式：
Figure BDA0001570930230000031
应变强化项的表达式：
Figure BDA0001570930230000032
应变率强化项的表达式：
Figure BDA0001570930230000033
温度软化项的表达式：Θ(T)＝c0+c1T+c2T2＝-2.837e-07T2-1.936e-04T+1.003；
其中：σ0为屈服强度，n为应变强化指数，m为应变率强化指数；
该步骤(1)中，若不准确则变化屈服强度再计算直至变强化项直至应变强化项准确；
该步骤(3)中，若不准确则变化应变率强化指数再计算直至应变率强化项直至应变强化项准确。
一实施例之中：该应变强化项、应变率强化项校正后都应小于5％，否则需重复校正。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
依次独立验证和校正应变强化项、温度软化项和应变率强化项，以验证和校正PL模型和JC模型，可以将本构模型的误差精确定位到各项并对其进行校正，可以更加真实、全面、准确的校正材料的本构模型，可以有效提高材料本构模型的精度，进而保证了加工过程数值仿真的精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本具体实施方式的划痕数值仿真模型；
图2(a)为本具体实施方式的校正前仿真和试验划擦力结果对比；
图2(b)本具体实施方式的校正后仿真和试验划擦力结果对比；
图3为本具体实施方式的温度软化率和硬度降低率对比；
图4(a)为本具体实施方式的校正前试验和仿真切削力对比；
图4(b)为本具体实施方式的校正前试验和仿真切削力对比。
具体实施方式
通过霍普金森压杆测试得到奥氏体不锈钢的PL模型的材料本构模型的表达式：
Figure BDA0001570930230000041
Figure BDA0001570930230000042
Figure BDA0001570930230000043
Θ(T)＝c0+c1T+c2T2＝-2.837e-07T2-1.936e-04T+1.003 (4)
其中(2)、(3)、(4)分别为应变强化项、应变率强化项和温度软化项，上述各式中σ0为屈服强度，n为应变强化指数，m为应变率强化指数。
加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，包括：
步骤(1)，验证和校正应变强化项：进行准静态试验及该准静态试验的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是原始本构模型Ⅰ，比较准静态试验和数值仿真的结果以验证本构模型应变强化项是否准确，若准确则本构模型Ⅰ定义本构模型Ⅱ再执行步骤(2)，若不准确则校正应变强化项，校正后得到本构模型Ⅱ再执行步骤(2)；而且，该准静态试验在实施过程中应变率低于0.001s-1，该准静态试验包括准静态压缩试验、准静态压痕试验及准静态划痕试验等中的至少一种。本具体实施方式之中：
采用划痕仪，设置一系列的划擦深度，进行准静态划痕试验，以测得划擦力。用AdvantEdge数值仿真软件建立该划擦同参数下的数值仿真模型如图1，仿真和试验的划擦力对比如图2(a)。比较准静态试验和数值仿真的结果，发现试验所得的划擦力均比仿真小15％左右，即，该百分比是(准静态试验-数值仿真)/数值仿真。方程(2)中原始本构模型中的材料的屈服强度σ0为1020MPa，将其降低15％。则方程(2)被校正为：
Figure BDA0001570930230000051
再次进行同参数下的数值仿真，此时本构模型中的应变强化项为方程(6)，仿真和试验结果对比如图2(b)所示。校正后仿真和试验的平均误差为1.5％，应变强化项校正完毕。
步骤(2)，验证和校正温度软化项：通过高温硬度试验验证本构模型Ⅱ的温度软化项是否准确，若准确则本构模型Ⅱ定义本构模型Ⅲ再执行步骤(3)，若不准确则校正温度软化项，校正后得到本构模型Ⅲ再执行步骤(3)；
材料的硬度降低率和温度软化率具有相同的规律，因此可以用高温硬度试验验证本构模型的温度软化率。通过设置不同温度下的高温硬度试验，拟合出硬度随温度降低的曲线，并与本构模型Ⅱ的温度软化曲线比对，若曲线重合性较好，说明本构模型Ⅱ的温度软化项较好，否则用硬度随温度的降低曲线替代本构模型Ⅱ的温度软化曲线。
本具体实施方式之中：对奥体不锈钢进行高温硬度试验，试验参数是20℃、200℃、400℃、600℃、800℃，试验载荷30kg，保载时间20s，得到硬度随温度的降低率，并与材料本构的温度软化率进行对比，如图3所示。硬度降低率和温度软化率高度吻合，故该本构模型的温度软化项精度较高。
步骤(3)，验证和校正应变率强化项：进行加工试验及该加工的过程的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是本构模型Ⅲ，比较加工试验结果和数值仿真结果验证应变率强化项是否准确，若不准确则校正应变率强化项，校正后得到本构模型Ⅳ。而且，该加工试验，实施过程中材料的应变率高于1000s-1，且变形区的最大温度高于300℃，该加工试验包括切削试验及单颗磨粒划擦试验等中的至少一种。本具体实施方式之中：
进行正交车削试验并用AdvantEdge数值仿真软件建立同参数下的数值仿真模型，仿真和试验的切削力对比如图4(a)所示，发现试验所得的切削力大于仿真所得的切削力约11％，原始本构模型中应变率强化指数m为15.86，逐渐减小应变率强化指数，当m调整至11.5时，仿真得到的切削力和试验吻合性较好，平均误差为5％，如图4(b)，本构模型校正完成。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (3)

1.加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，其特征在于：包括：
步骤(1)，验证和校正应变强化项：进行准静态试验及该准静态试验的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是原始本构模型Ⅰ，比较准静态试验和数值仿真的结果以验证本构模型应变强化项是否准确，若准确则本构模型Ⅰ定义为本构模型Ⅱ再执行步骤(2)，若不准确则校正应变强化项，校正后得到本构模型Ⅱ再执行步骤(2)；
步骤(2)，验证和校正温度软化项：通过高温硬度试验验证本构模型Ⅱ的温度软化项是否准确，若准确则本构模型Ⅱ定义本构模型Ⅲ再执行步骤(3)，若不准确则校正温度软化项，校正后得到本构模型Ⅲ再执行步骤(3)；
步骤(3)，验证和校正应变率强化项：进行加工试验及该加工的过程的数值仿真，该数值仿真所使用的材料本构模型是本构模型Ⅲ，比较加工试验结果和数值仿真结果验证应变率强化项是否准确，若不准确则校正应变率强化项，校正后得到本构模型Ⅳ；
其中：该校正方法用于校正Power-Law模型和Johnson-Cook模型的本构模型；
该应变强化项中：比较准静态试验和数值仿真的结果，如准静态试验和数值仿真相差小于5％，则认定为应变强化项准确，否则认定不准确；
该应变率强化项中：比较加工试验结果和数值仿真的结果，如加工试验结果和数值仿真相差小于5％，则认定为应变率强化项准确，否则认定不准确；
采用奥氏体不锈钢；
Power-Law模型的材料本构模型的表达式：
Figure FDA0003279651060000011
应变强化项的表达式：
Figure FDA0003279651060000012
应变率强化项的表达式：
Figure FDA0003279651060000021
温度软化项的表达式：Θ(T)＝c0+c1T+c2T2＝-2.837e-07T2-1.936e-04T+1.003；
其中：σ0为屈服强度，n为应变强化指数，m为应变率强化指数；
该步骤(1)中，若不准确则变化屈服强度再计算直至变强化项直至应变强化项准确；
该步骤(3)中，若不准确则变化应变率强化指数再计算直至应变率强化项直至应变强化项准确。
2.根据权利要求1所述的加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，其特征在于：该步骤(1)中的准静态试验在实施过程中应变率低于0.001s-1，该准静态试验包括准静态压缩试验、准静态压痕试验及准静态划痕试验中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的加工过程数值仿真用材料本构模型的校正方法，其特征在于：该步骤(3)中的加工试验，实施过程中材料的应变率高于1000s-1，且变形区的最大温度高于300℃，该加工试验包括切削试验及单颗磨粒划擦试验中的至少一种。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112296363B (zh) * 2020-07-03 2021-09-07 广东工业大学 一种超精密单点金刚石车削精度控制方法与***

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103471932A (zh) * 2013-09-26 2013-12-25 北京机电研究所 金属材料应力-应变曲线测量及应用方法
CN104809263A (zh) * 2014-01-27 2015-07-29 通用汽车环球科技运作有限责任公司 考虑在使用期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性
CN105426595A (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 内蒙古工业大学 一种铝合金热弹塑性变形模拟用本构模型的建立方法
CN106053222A (zh) * 2016-06-07 2016-10-26 大连理工大学 一种铝硅合金ADC12材料Johnson‑Cook本构模型的拟合方法
CN107273590A (zh) * 2017-05-31 2017-10-20 北京理工大学 一种用于复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法
CN107330137A (zh) * 2017-05-17 2017-11-07 武汉工程大学 一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130289953A1 (en) * 2012-01-24 2013-10-31 The University Of Akron Self-optimizing, inverse analysis method for parameter identification of nonlinear material constitutive models

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103471932A (zh) * 2013-09-26 2013-12-25 北京机电研究所 金属材料应力-应变曲线测量及应用方法
CN104809263A (zh) * 2014-01-27 2015-07-29 通用汽车环球科技运作有限责任公司 考虑在使用期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性
CN105426595A (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 内蒙古工业大学 一种铝合金热弹塑性变形模拟用本构模型的建立方法
CN106053222A (zh) * 2016-06-07 2016-10-26 大连理工大学 一种铝硅合金ADC12材料Johnson‑Cook本构模型的拟合方法
CN107330137A (zh) * 2017-05-17 2017-11-07 武汉工程大学 一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法
CN107273590A (zh) * 2017-05-31 2017-10-20 北京理工大学 一种用于复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Al7050-T7451 turning simulation based on the modified power-law material model;Jiang Feng et al.;《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》;20101230;第48卷;第871-880页 *
Identification of constitutive material model parameters for high strain rate metal cutting conditions using evolutionary algorithms;OZEL T et al.;《Materials and Manufacturing Processes》;20070531;第22卷(第5期);第659-667页 *
Numerical study the flow stress in the machining process;Yu Jianchao et al.;《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》;20140415;第74卷;第509-517页 *
Orthogonal cutting of hardened AISI D2 steel with TiAlN-coated inserts simulations and experiments;Jiang Feng et al.;《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》;20131230;第64卷;第1555-1563页 *
材料本构模型参数对二维直角切削仿真的影响;廖通凯 等;《华侨大学学报（自然科学版）》;20160915;第37卷(第5期);第541-546页 *

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