[发明专利]一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法

说明书

技术领域

本发明涉及参数辨识技术领域，尤其是涉及一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法。

背景技术

目前，关于金属材料在切削过程中高应变率下的塑性变形行为的研究较少。因此，为了准确描述金属试件的切削变形行为，需要建立准确的材料本构模型及进行相应模型参数的辨识，这对准确预测切削过程状态量、提高零件表面质量以及优化切削过程大有裨益。

通常，金属材料切削过程的流动应力σ与应变ε、应变率温度T等物理量有关，它们之间存在一种复杂的本构关系：目前，国内外很多学者采用各种相关理论和实验方法对这种本构关系进行了大量的研究，并建立了针对不同金属材料的经验型与物理型本构模型。针对特定的本构模型，需要有可靠的本构数据及对应的数学表达式，而材料压缩实验法作为最有效的方法，一般采用SHPB实验来复现切削过程中材料的变形过程，采用该方法虽然在辨识材料本构参数方面得到了广泛的应用，但还存在如下缺陷：(1)、实验获取的流动应力数据仍然有一定的限制，即应变ε≤1，应变率仍远低于切削时的应变率10⁶s^-1；(2)、需要用专门的器材进行大量的压缩实验，才能获取材料在不同温度与应变率下的形变状态，比较耗时耗成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减少流动应力限制、提高辨识效率并且节约成本的金属材料切削本构模型参数的辨识方法。

本发明所采用的技术方案是，一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法，所述方法步骤如下：

(1)、根据金属材料切削过程的流动应力受应变、应变率、温度以及适用范围的影响，采用JC本构模型来描述材料的切削本构模型；

(2)、将金属材料试样进行压缩实验，并采用拟合技术求得金属材料在低应变率下的5 个JC本构模型参数：A,B,n,C,m，所述A为屈服强度，B为硬化模量，n为应变硬化指数， C为应变率敏感系数，m为热软化指数；

(3)、将步骤(2)中通过压缩实验辨识得到的本构模型参数作为初始值，同时令A和 B为常量，n、c和m为变量，并在给定相同的切削参数条件下，通过切削力解析模型和直角切削实验，再根据剪切角公式和流动应力公式，从而得到切削力、进给力和流动应力，并建立优化目标函数；

(4)、设定流动应力的实验值和预测值之间的误差的标准值，基于遗传优化算法来获取金属材料试样的本构参数最优解；

(5)、在相同的输入条件下，采用仿真软件对在直角切削过程的金属材料试样进行仿真分析，将仿真得出的切削力与切削力解析模型计算得到的切削力进行对比，验证金属材料JC 本构模型辨识得到的参数的正确性。

步骤(4)中，所述遗传优化算法的方法为：不断地调整金属材料试样的5个本构模型参数：A,B,n,C,m，将每一次调整的参数值都代入到优化目标函数中来获得流动应力的预测值，然后再得到流动应力预测值与流动应力实验值之间的误差值，当计算过程中出现流动应力预测值与流动应力实验值之间的误差值小于或等于步骤(3)中设定的标准值时，此时就终止遗传优化算法迭代，并输出当前对应的本构模型参数：A,B,n,C,m，该确定的模型参数即为最优解。

本发明的有益效果是：采用上述方法，通过JC本构模型所获得的流动应力值非常接近实际的金属材料流动应力值，所得到的流动应力值不需要受到其他因素的限制，并且辨识本构模型参数的过程中效率很高，同时不需要专门的器材来进行大量的压缩试验，从而降低成本。

作为优先，步骤(1)中描述的JC本构模型的基本形式为：

其中，σ为von Mises流动应力(MPa)，ε为塑性应变，为塑性应变率(s^-1)，为参考应变率，T为工件瞬时绝对温度(K)，T_r是环境温度(K)，T_m是材料熔点温度(K)。I， II，III分别表示应变强化项，应变率强化项和热软化项，A,B,n,C,m为五个待求解的本构参数，分别为屈服强度(MPa)、硬化模量(MPa)、应变硬化指数、应变率敏感系数、热软化指数。采用JC本构模型相对其他模型具有较大的优点：1、表达方式比较简单，参数数量较少且都有明确的物理意义，通过实验的方法可以比较方便地辨识本构参数；2、通用性较好，在实际应用中可以描述多种金属材料的动态塑性特性：3、使用JC模型进行有限元切削仿真时，可得到切屑形态，应力与温度分布及切削力，与实际情况一致性很好。

作为优先，步骤(3)中，所述剪切角公式和流动应力公式分别为：