[发明专利]一种用于复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法有效

专利信息
申请号: 201710395720.6 申请日: 2017-05-31
公开(公告)号: CN107273590B 公开(公告)日: 2018-06-15
发明(设计)人: 解丽静;项俊锋;高飞农;胡鑫;庞思勤;衣杰;岳楷钦;霍石岩;付宏鸽;王西彬 申请(专利权)人: 北京理工大学
主分类号: G06F17/50 分类号: G06F17/50
代理公司: 北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙) 11639 代理人: 毛燕
地址: 100081 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 本构方程 参数确定 复合材料 准静态 动态力学测试 多目标优化 多目标 拟合 材料力学性能 本构参数 测试数据 动态力学 机械制造 加权测量 加权因子 数值分析 温度载荷 误差准则 载荷工况 可靠度 应变率 最小化 算法 力学 测量 预测 优化
【说明书】:

发明公开的一种用于复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法,材料力学性能表征、机械制造和数值分析领域。本发明以复合材料准静态和动态力学测试数据为拟合对象反向进行本构方程参数确定;本构方程的参数的多目标确定方法通过准静态力学本构方程和动态力学本构方程分别拟合准静态和动态力学测试数据,确定不同应变率和温度载荷下的关于测量误差的加权因子,在总体水平上基于卡方误差准则考虑加权测量误差通过Levenberg‑Nielsen算法最小化所有载荷工况下测试数据与本构方程值的累计误差,实现本构参数确定的多目标反向优化,得到本构方程所有参数。本发明能够提高本构方程参数确定方法精度、降低工序繁杂度,且提高预测的准确性和可靠度。

技术领域

本发明涉及一种用于复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法,尤其涉及一种考虑测量误差加权复合材料本构方程参数确定的多目标优化方法,属于材料力学性能表征、机械制造和数值分析技术邻域。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料具有低温性能,高强重比,良好的耐磨性和低热膨胀系数,但机械加工性差的特点。为了实现颗粒增强金属基复合材料加工所要求的质量,实验研发成本往往很高,且耗时长。因此,针对难加工材料加工,采用有限元仿真技术研究切削的机理,优化切削工艺和再设计刀具具有巨大的应用价值和现实意义。为了实现数值计算与实际加工实验相匹配的结果,开发在切削加工中能反映材料力学行为的本构模型至关重要。建立和应用合适本构模型的关键点在于所采用的本构模型与实验数据的匹配性,因为本构模型应该能反映在材料加工应变率、温度范围内如应力、应变和温度等热力学行为。因此,有必要从工程应用角度通过大量实验,观察得出材料本构模型参数并确定参数的准确性。由于变形过程,应变率和温度之间的相互依赖和相互联系,量化材料本构参数是很困难的,仅基于一些可用的实验数据而不管数据的可靠性和测量误差来改进经典材料本构模型是非常有争议的。在原先的科学假说中,经典本构模型的改进只是通过实验数据统计确定,由于在本构方程式中与实际物理意义存在显着差异,因此这种改进对于后续模型的开发没有借鉴和指导意义,很少会被采用。对某种材料本构模型和参数确定的解决方案:能实现经典材料本构模型的合理应用,即在科学假设前提下使用合适的数值计算工具确定本构方程材料参数。

大多数工程材料在低变形速率(准静态)、高变形速率(动态)或温度下表现出不同的变形特性,这给能反映不同荷载工况条件下材料力学响应的本构模型建立和参数确定工作带来巨大挑战。Johnson-Cook本构模型是用于描述高应变,高应变率和高温下塑性变形行为的最常用的半经验模型之一,特别适用于机械加工过程的数值计算。与其他模型相比,其独特的优势在于其在宏观尺度预测的准确性和简洁性,即只需要确定几个参数,就可以很好地描述材料机械行为。

在Johnson-Cook本构方程中,其流动应力是应变,应变率和温度项的乘积形式,分别代表材料塑性行为的应力强化,应变强化和热软化效应。

其中,σ是材等效流动应力,εp是等效塑性应变,为正则化的应变率,和分别表示参考应变率和等效塑性应变率。需要待确定的五个经验参数的物理意义定义如下:A是材料初始屈服强度,B和n是应变硬化系数和指数,C是无量纲应变速率硬化系数,m是热软化指数。Johnson-Cook本构模型中这些材料参数通过准静态压缩和霍普金森压杆实验(SHPB)获得的应力-应变数据来拟合确定的。T*是正则化后的温度项,由下式表示:

其中,T是材料温度,Tmelt是熔点,Troom是室温或参考温度。Johnson-Cook模型本构方程(1)中很重要的一点在于确定应变率与变形温度之间的耦合关系。众所周知,塑性变形产生的热会导致的温度升高特别是在高变形率下,因此应变率和温度是耦合的。因此,只有当温度升高与工件体温相比可以忽略不计时,实验拟合的数据才能有效地将Johnson-Cook材料本构模型中和T*项解耦合。

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