金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法与流程

本发明属于汽车信息化领域，具体涉及一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法。

背景技术：

在金属材料断裂研究中，多是采用成形极限图和固定的临界断裂应变值去模拟金属材料的的断裂失效。然而，使用成形极限图来判断裂纹的产生情况时，裂纹区域过于保守，裂纹往往产生过早或过晚；且成形极限图只能用于预测材料在线性应变路径情况下的裂纹情况，实际过程中，材料在颈缩后，伴随着强烈的应变路径依赖性。而采用固定的临界断裂应变值来判断裂纹的产生情况时，没有考虑材料受力状态对临界断裂应变值的影响。显然，目前的断裂失效模拟方法没有同时考虑到不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，无法准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效。

技术实现要素：

本发明提供一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，以解决目前断裂失效模拟方法没有同时考虑到不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，从而无法准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，包括：

针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型；

采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力-塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数

采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值；

针对该第二组试样中的每种试样类型，将其应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数和临界断裂应变值代入对应的三维模型中，建立多元次方程组，计算得到三维断裂模型中的五个未知系数k、c、f、n，进而得到金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型。

在一种可选的实现方式中，所述第一组试样包括多个试样，所述采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线包括：

采用该非线性拉伸力对所述第一组试样中的各个试样进行准静态标准拉伸试验，以获得该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线；

从该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线中选择居中的一条真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线。

在另一种可选的实现方式中，所述第二组试样中的每种试样类型都包括多个该种类型的试样；所述采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值包括：

针对所述第二组试样中每种试样类型，采用该非线性拉伸力对该种类型的多个试样进行对应断裂试验，获得对应试样个数的临界断裂应变值，求取该对应试样个数的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该第二组试样中该种试样类型的临界断裂应变值。

在另一种可选的实现方式中，所述第二组试样包括纯剪切拉伸试验试样、中心孔单向拉伸试验试样、r5缺口拉伸试验试样、r10缺口拉伸试验试样和杯突试样五种试样类型，每种试样类型都包括多个该种类型的试样。

在另一种可选的实现方式中，三维断裂模型的失效应变是应力三轴度与归一化洛德角的函数，如下所示

式中，包含五个未知数，分别为k、c、f、n，需通过多组断裂试验进行标定；其中，通过应力三轴度η及归一化洛德角参数表征材料的受力状态，其值均在[-1，1]之间，计算式中如下

应力三轴度：

式中，p为静水压力，为mises等效应力，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，i1为第一应力不变量，j2为第二应力偏量不变量；

洛德角参数：

式中，为mises等效应力，j2、j3分别为第二、第三偏应力偏量不变量；

归一化洛德角

在所述三维断裂模型中，以损伤因子d判断材料的断裂失效，当d＝1时，发生断裂，其计算公式如下所示

式中dεp为塑性应变积累量，为不同应力三轴度及归一化洛德角对应的断裂失效应变，损伤因子d的计算中，考虑了材料的非线性应变路径的损伤积累。

在另一种可选的实现方式中，采用dic设备进行实时应变测试，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用非线性拉伸力对第一组试样进行准静态标准拉伸试验，在获取第一组试样的真应力-塑形应变曲线时考虑到了非线性应变路径；在进行断裂试验时采用非线性拉伸力，并设计有多种类型的试样，考虑到了不同受力状态对断裂失效的影响；至此本发明考虑了不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，可以准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效；

2、本发明使第一组试样包括多个试样，采用相同的非线性拉伸力对该第一组试样中的多个试样重复进行准静态标准拉伸试验，在获得第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线后，从中选取居中的真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，可以使获得的第一组试样的真应力-塑形应变曲线更加准确地反映金属材料的变形；

3、本发明在针对各种类型的试样进行断裂试验时，都是对多个该种类型的试样进行对应断裂试验(即针对该对应断裂试验重复进行多次试验)，求取多次重复试验获得的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该种类型的试样的临界断裂应变值，由此可以进一步精确对应断裂试样(即对应受力状态)对断裂失效的影响。

附图说明

图1是本发明金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法的一个实施例方框图；

图2是第一组试样中试样的结构示意图(单位mm)；

图3是第二组试样中五种试样类型的结构示意图(单位mm)；

图4是三维断裂模型验证中b柱静压模型；

图5是三维断裂模型验证中22mnb5高强钢b柱静压数值模拟与试验结果对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法的一个实施例方框图。该方法可以包括以下步骤：

步骤s101、针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型。本实施例中，所述第一组试样可以包括多个试样，例如3个试样，该第一组试样中试样的结构如图2所示。所述第二组试样可以包括纯剪切拉伸试验试样、中心孔单向拉伸试验试样、r5缺口拉伸试验试样、r10缺口拉伸试验试样和杯突试样五种试样类型，如图3所示。

步骤s102、采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力-塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数

其中，步骤s102中所述采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线包括：采用该非线性拉伸力对所述第一组试样中的各个试样进行准静态标准拉伸试验，以获得该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线；从该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线中选择居中的一条真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线。本发明采用非线性拉伸力对第一组试样进行准静态标准拉伸试验，在获取第一组试样的真应力-塑形应变曲线时考虑到了非线性应变路径，并且使第一组试样包括多个试样，采用相同的非线性拉伸力对该第一组试样中的多个试样重复进行准静态标准拉伸试验，在获得第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线后，从中选取居中的真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，可以使获得的第一组试样的真应力-塑形应变曲线更加准确地反映金属材料的变形。例如，针对图2所示结构的3个试样，采用相同的非线性应变拉伸力重复3次准静态标准拉伸试验，获得3个真应力-塑形应变曲线，从3个真应力-塑形应变曲线中选择居中的真应力-塑形应变曲线作为第一组试样的真应力-塑形应变曲线。本实施例中，在进行准静态标准拉伸试验时，可以采用数字图像相关(dic，digitialimagecorrelation)设备进行实时应变测试，且在拉伸试样时可以通过加载恒定拉伸速度的方式来向试样施加非线性拉伸力。

另外，本实施例中该第二组试样中试样包括多种类型，而每种类型都对应有材料数值试验模型，本发明在获得用于表征金属材料变形的真应力-塑形应变曲线后，将该真应力-塑形应变曲线分别输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，可以获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数每种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数都用于表示金属材料材料的一种受力状态，各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数可以分别用于表示金属材料材料的各种不同受力状态。本实施例中，可以基于各种类型试样的试样尺寸及试验条件，建立各试验的数值模型，在ls_dyna的mat_24材料数值试验模型中输入该第一组试样的真应力-塑形应变曲线。

步骤s103、采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，采用数字图像相关(digitialimagecorrelation)设备进行实时应变测试，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值。

其中，所述第二组试样中的每种试样类型都包括多个该种类型的试样；步骤s103中所述采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值包括：针对所述第二组试样中每种试样类型，采用该非线性拉伸力对该种类型的多个试样进行对应断裂试验，获得对应试样个数的临界断裂应变值，求取该对应试样个数的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该第二组试样中该种试样类型的临界断裂应变值。例如，针对图3所示的五种试样类型，每种试样类型分别包括3个试样，针对每种试样类型，可以采用与准静态标准拉伸试验相同的非线性应变拉伸力重复3次对应断裂试验，获得3个临界断裂应变值，求取3个临界断裂应变值的平均值，作为该种试样类型的临界断裂应变值。本发明在进行断裂试验时设计有多种类型的试样，考虑到了不同受力状态对断裂失效的影响，并且本发明在针对各种类型的试样进行断裂试验时，都是对多个该种类型的试样进行对应断裂试验(即针对该对应断裂试验重复进行多次试验)，求取多次重复试验获得的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该种类型的试样的临界断裂应变值，由此可以进一步精确对应断裂试样(即对应受力状态)对断裂失效的影响。

本实施例中，在进行准静态标准拉伸试验和断裂试验时，可以采用数字图像相关(digitialimagecorrelation)设备进行实时应变测试，且在拉伸试样时可以通过加载恒定拉伸速度的方式来向试样施加非线性拉伸力。另外，所述第二组试样包括纯剪切拉伸试验试样、中心孔单向拉伸试验试样、r5缺口拉伸试验试样、r10缺口拉伸试验试样和杯突试样五种试样类型，每种试样类型都包括多个该种类型的试样。其中，单向拉伸试验、剪切试验、r5缺口拉伸试验、r10缺口拉试验均在cmt5305电子万能试验机上进行，试验速率分别为3mm/min、2.3mm/min、1.2mm/min、2.4mm/min。穿孔试验也在cmt5305电子万能试验机上进行，冲头速率为1mm/min。试验过程中，单向拉伸试验选用50mm引伸计，剪切试验、r5缺口拉伸试验、r10缺口拉试验均选用25mm引伸计，进行相对变形测量。

步骤s104、针对该第二组试样中的每种试样类型，将其应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数和临界断裂应变值代入对应的三维模型中，建立多元次方程组，计算得到三维断裂模型中的五个未知系数k、c、f、n，进而得到金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型。

本实施例中，三维断裂模型的失效应变是应力三轴度与归一化洛德角的函数，如下所示

式中，包含五个未知数，分别为k、c、f、n，需通过多组断裂试验进行标定。其中，通过应力三轴度η及归一化洛德角参数表征材料的受力状态，其值均在[-1，1]之间，计算式中如下

应力三轴度：

式中，p为静水压力，为mises等效应力，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，i1为第一应力不变量，j2为第二应力偏量不变量；

洛德角参数：

式中，为mises等效应力，j2、j3分别为第二、第三偏应力偏量不变量；

归一化洛德角

在三维断裂模型中，以损伤因子d判断材料的断裂失效，当d＝1时，发生断裂，其计算公式如下所示：

式中dεp为塑性应变积累量，为不同应力三轴度及归一化洛德角对应的断裂失效应变，损伤因子d的计算中，考虑了材料的非线性应变路径的损伤积累。在获得该金属材料在不同受力状态下以及非线性应变路径下的三维断裂模型后，根据该三维断裂模型，确定该金属材料在复杂应力状态下的断裂曲面；或将该金属材料的真应力-塑性应变曲线及复杂应力状态下的三维断裂模型带入该金属材料的任意工况模型中进行模拟计算，从而对该金属材料的断裂情况进行预测。

由上述实施例可见，本发明采用非线性拉伸力对第一组试样进行准静态标准拉伸试验，在获取第一组试样的真应力-塑形应变曲线时考虑到了非线性应变路径；在进行断裂试验时采用非线性拉伸力，并设计有多种类型的试样，考虑到了不同受力状态对断裂失效的影响；至此本发明考虑了不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，可以准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效。

以下对上述三维模型进行验证：为验证标定后22mnb5高强钢根据三维断裂模型获得的断裂曲面是否适用，将其应用于b柱静压数值模型中，对b柱静压过程进行模拟，预测b柱在静压后的裂纹区域，同时进行b柱静压试验。b柱主要变形区域网格尺寸为0.5mm，其两端固定在工装上。

在22mnb5高强钢b柱的仿真过程中，将两端工装进行约束，压头以1.85m/s的速度向下压b柱，压头行程为100mm，整个静压过程为0.054s。压头及工装选择ls_dyna中的mat_20号刚体材料本构模型，b柱选择mat_24号各向同性材料本构模型，不考虑应变率的影响，通过mat_add_erosion输入22mnb5高强钢的mmc断裂曲面。仿真过程中，b柱网格选择自适应重新划分，最小网格尺寸定义为0.5mm。通过仿真计算，静压后，22mnb5高强钢b柱的变形如图5中左图所示。从左图中可知，静压后，b柱与压头接触的区域变形最大，如图中椭圆圈出区域所示，b柱的最大塑性应变为0.857。同时，在b柱变形最大位置的背面，有少许单元删除，出现微裂纹。

在22mnb5高强钢b柱的实验过程中，b柱状态为实际整车装车状态，其上下端与安装板焊接后通过工装与试验台固定，上下端全约束。试验时，采用压头对b柱中部门铰链安装位置进行准静态加载，压头下压速度为2mm/s(即向b柱施加非线性压力)，压头下压位移为100mm。22mnb5高强钢b柱的变形分别如图5中右图所示。从右图中可知，静压实验后，22mnb5高强钢b柱均是在与压头接触的位置变形较大，如图中椭圆圈出区域所示；同时，b柱在背面均出现了微裂纹。从图5中可知，静压后，22mnb5高强钢b柱均在相同位置发生大变形，如图5中椭圆圈出区域所示，在b柱背面相同位置均有微裂纹产生。数值模拟结果与实验结果吻合度较高，表明标定所得的断裂曲面能准确预测22mnb5高强钢的失效情况。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。