金属材料的弹塑性本构模型参数平均化的获取方法与流程

本发明属于金属材料力学性能评价与结构强度数值分析，具体涉及一种金属材料的弹塑性本构模型参数平均化的获取方法。

背景技术：

1、在航空、航天、汽车、船舶、核电等诸多行业的金属材料关键结构件的初始设计阶段，结构件的刚性和强度是首先必须满足的条件。金属材料的弹塑性本构模型是结构件刚性与强度分析的基础，弹塑性本构模型参数的合适与否直接影响结构件刚性与强度数值分析的准确度和可靠性。

2、为了减小单向光滑圆棒试样拉伸试验偏差对构建金属材料弹塑性本构模型的影响，工程师往往开展一定数量的重复试验，但是光滑圆棒试样单向拉伸试验所获得的工程应力-应变曲线具有分散性，曲线与曲线呈交错排布，应该选用哪条工程应力-应变曲线开展弹塑性本构模型参数的拟合，目前还没有统一的标准。

3、为了方便应用，工程中主要提出了两种曲线平均化的方法：一种是通过肉眼识别将趋势位于曲线分散带中间的那条曲线作为拟合曲线；另一种是通过对多条曲线在同一横坐标下对纵坐标数值进行平均以构建平均的工程应力-应变曲线，进而转换为真应力-应变曲线拟合出弹塑性本构模型参数。这两种工程应用方法都存在明显缺陷：第一种方法需要一定经验且肉眼所挑选的曲线的走势很难恰好位于曲线分散带中间；第二种方法是简单的数值平均化方法，该方法不能表现出金属材料的分散性物理含义且针对具有严重偏离倾向的曲线难以有效的平均。鉴于此，要想准确地获得金属材料的弹塑性本构模型参数，需要建立一种非直接数值平均且具有物理意义的可工程应用的应力-应变平均化方法，以获得更为准确有效的金属材料的弹塑性本构模型参数。

4、申请公布号为cn114927175a的发明专利公开了一种用于材料拉伸本构参数拟合的高通量计算方法，包括以下步骤：获取目标材料的热拉伸试验数据；构建jc本构关系模型；基于热拉伸试验数据，通过高通量改进算法对jc本构关系模型中的本构参数进行拟合计算；本构参数拟合计算步骤具体为：定义损失函数；将热拉伸试验数据划分为训练集和测试集；基于训练集，采用随机梯度下降法进行损失函数最小化的jc本构关系模型训练；采用测试集对当前jc本构关系模型进行参数调整，得到训练好的jc本构关系模型；根据训练好的jc本构关系模型确定出目标材料的本构参数。该技术方案仅针对目标材料构建本构关系模型，不同的材料需要构建不同的本构关系模型，而且在同一个几何模型中只有一组本构关系模型，使得最后拟合出来的本构参数不具有平均化效果。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属材料的弹塑性本构模型参数平均化的获取方法，按照先后顺序包括以下步骤：

2、步骤一：制备若干个用于拉伸试验的光滑圆棒试样，并分别对其进行拉伸试验，获得若干条光滑圆棒试样的工程应力-工程应变曲线，并将若干条工程应力-工程应变曲线分别转化为真应力-真应变曲线；

3、步骤二：选取一种弹塑性本构模型，并使用该种弹塑性本构模型分别对若干条光滑圆棒试样的真应力-真应变曲线进行拟合，获得若干组弹塑性本构模型的拟合参数；

4、步骤三：将若干组拟合参数、弹性模量和泊松比导入有限元模拟仿真软件中，并通过有限元模拟仿真软件计算得到若干条光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的仿真曲线，同时通过拉伸试验获得的试验数据绘制若干条光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的试验曲线，将若干条仿真曲线分别与其对应的试验曲线进行对比，确定若干组弹塑性本构模型参数的合理性；

5、步骤四：在有限元模拟仿真软件中建立光滑圆棒试样的几何模型，将光滑圆棒试样的试验段和夹持段均随机分成若干个区域，在试验段的若干个区域和夹持段的若干个区域分别随机赋予已确定合理性的若干组弹塑性本构模型参数；

6、步骤五：对已赋予若干组弹塑性本构模型参数的光滑圆棒试样添加约束和载荷条件，进行拉伸模拟仿真试验，并计算得到光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的仿真曲线；

7、步骤六：将光滑圆棒试样的几何模型复原，重新在试验段的若干个区域和夹持段的若干个区域分别随机赋予已确定合理性的若干组弹塑性本构模型参数；然后对已赋予若干组弹塑性本构模型参数的光滑圆棒试样添加约束和载荷条件，进行拉伸模拟仿真试验，并计算得到光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的仿真曲线；

8、步骤七：重复步骤六若干次，计算得到若干条光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的仿真曲线，同时通过拉伸试验获得的试验数据绘制若干条光滑圆棒试样的试验段的拉伸位移与拉伸载荷之间的试验曲线；将步骤五至步骤七中获得的若干条仿真曲线与若干条试验曲线进行对比，确定弹塑性本构模型参数是否达到平均化；

9、步骤八：在确定弹塑性本构模型参数达到平均化的前提下，通过有限元模拟仿真软件计算得到若干条具有弹塑性本构模型参数平均化的工程应力-工程应变曲线，并将若干条具有弹塑性本构模型参数平均化的工程应力-工程应变曲线分别转化为具有弹塑性本构模型参数平均化的真应力-真应变曲线；

10、步骤九：使用步骤二中选取的弹塑性本构模型分别对若干条具有弹塑性本构模型参数平均化的真应力-真应变曲线进行拟合，即可获得若干组平均化的弹塑性本构模型参数。

11、优选的是，步骤一中，所述光滑圆棒试样的数量至少为五个，所述光滑圆棒试样的尺寸均相同、材质均相同，所述光滑圆棒试样的材质为金属材料。

12、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，所述弹塑性本构模型包括率无关mises型多线性各向同性硬化模型、率无关hill型多线性各向同性硬化模型、率无关mises型多线性随动硬化模型、率无关hill型多线性随动硬化模型、率无关mises型chaboche模型、率无关hill型chaboche模型、率无关mises型chaboche与多线性各向同性硬化组合模型、率无关hill型chaboche与多线性各向同性硬化组合模型、率相关mises型多线性各向同性硬化模型、率相关hill型多线性各向同性硬化模型中的任一种。

13、本发明中，弹塑性本构模型主要指金属材料发生变形时，其应力(或应力变化率)随应变(或应变速率)发生变化的规律，是影响金属材料应用性能评价、金属结构件刚度与强度设计仿真的最重要因素之一，主要包括屈服准则、强化模型和流动法则。本发明采用的有限元模拟仿真软件包括abaqus、ansys、msc.marc和isight等。

14、在上述任一方案中优选的是，步骤三中，如果若干条仿真曲线分别与其对应的试验曲线重合，那么确定若干组弹塑性本构模型参数具有合理性，反之不具有合理性。

15、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述光滑圆棒试样的试验段至少分成五个区域，所述光滑圆棒试样的夹持段至少分成两个区域。

16、在上述任一方案中优选的是，步骤五和步骤六中，添加约束和载荷条件的方法为，将光滑圆棒试样的两个夹持段与两个远端节点进行刚性耦合，对一个远端节点施加全约束，对另一个远端节点施加沿着光滑圆棒试样轴向的力。

17、在上述任一方案中优选的是，步骤五至步骤七中，至少进行五次拉伸模拟仿真试验；步骤七中，如果若干条仿真曲线均位于试验曲线的分散带之间，那么确定弹塑性本构模型参数达到平均化，反之未达到平均化。

18、本发明针对光滑圆棒试样拉伸试验所得的工程应力-工程应变曲线的分散性问题，提出一种比直接求平均值精度更高的曲线数值平均化的新策略。通过撒种子的方法将分散曲线构建的多组弹塑性本构模型随机撒入光滑圆棒试样的几何模型中，获得一条位于工程应力-工程应变曲线分散带之间的平均化的工程应力-工程应变曲线，进而基于该平均化的工程应力-工程应变曲线拟合建立金属材料的平均弹塑性本构模型参数。

19、本发明金属材料的弹塑性本构模型参数平均化的获取方法，为金属材料结构件的刚度与强度分析提供了准确可靠的技术支撑，该方法将分散的弹塑性本构模型随机撒入光滑圆棒试样的随机分区中，再进行数值仿真求解出一条平均的金属材料应力-应变曲线。该方法的物理意义在于金属材料的晶粒虽然具有变形分散性，但是晶粒构成的结构变形是一种晶粒变形平均化的结果。该方法相比于直接对曲线进行数值平均更具有物理意义，而且可同时完成光滑圆棒试样的建模仿真结果与试验结果的对比，实现对弹塑性本构模型的自洽性验证。