[发明专利]一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法

说明书

本发明公开了一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法，通过霍普金森拉杆试验获得高应变率下材料变形和失效过程的动态应力应变曲线，以高应变率下材料动态应力应变曲线为目标进行反向优化拟合，获得首次优化后的本构和失效模型参数；利用轻气炮系统对材料进行高速弹道冲击试验，高灵敏度应变片监测损伤区域附近材料的动态应力应变曲线，通过扫描电子显微镜测量损伤缺口的特征尺寸；以弹道冲击试验参数为边界条件进行弹道冲击数值仿真，提取应变片对应位置的材料应力应变曲线和损伤缺口特征尺寸；以实际测试获得的材料应力应变曲线和损伤缺口特征尺寸为目标再次进行反向优化拟合，最终获得超高应变率下材料本构和失效模型的参数。

技术领域

本发明属于材料测试、数值仿真和最优化方法等技术领域，具体涉及一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法。

背景技术

金属材料在外力作用下首先发生弹性变形，当所受应力超过材料屈服强度时会发生塑性变形，弹塑性变形过程中材料的动态应力应变关系可用本构模型进行描述；当应变增大到一定程度后，材料开始发生损伤失效，直至最后断裂，断裂时塑性应变即为材料失效最大塑性应变，整个失效过程中材料的损伤演化行为则用失效模型进行描述，因此，材料在发生大变形失效过程中，需要同时利用材料本构模型和失效模型来表征材料的动力学行为特征。

霍普金森拉杆试验是一种基于一维应力波理论、通过高速撞击方式获取材料在高应变速率(10²-10⁴s^-1)下的动态应力应变曲线，其中曲线后半段同样呈现出应力随应变增大而减小的材料动态失效过程，直至断裂失效。

航空发动机服役过程中，不可避免地吸入外来硬物(如砂砾、石块、金属块等)，打伤前端风扇/压气机叶片进、排气边缘。叶片在外物高速冲击条件下(几百米每秒)，材料发生超高应变率(＞10⁶s^-1)动态塑性变形，甚至造成材料动态失效或断裂，产生凹坑、撕裂、缺口、微裂纹等损伤缺陷，并在损伤区域形成局部应力场。

外物打伤后，疲劳裂纹会在损伤缺陷处萌生并快速扩展，导致整个叶片断裂失效，所以损伤缺陷形貌特征和局部应力场分布规律直接决定着叶片的疲劳性能。因此，为了实现叶片外物打伤后的疲劳寿命评估，需要通过数值模拟准确预测外物打伤后的损伤缺陷形貌和局部应力场分布，而材料本构和失效模型及其参数是数值模拟的基础条件和前提。

由于外物打伤过程中材料变形速率高、变形量大等特点，甚至发生失效断裂，现有测试设备无法直接获得材料整个变形和失效过程中的动态应力应变曲线，导致材料本构和失效模型参数难于准确识别。目前，只是通过对准静态拉伸和霍普金森拉杆试验下材料低、高应变率动态应力应变曲线和断裂位置进行优化拟合、识别模型参数，然后直接外推到超高应变率条件下使用。但是，这种方法识别的模型参数并不能准确表征外物打伤过程中材料超高应变率动态变形和失效行为，导致叶片外物打伤后的损伤缺陷形貌和局部应力场分布的预测误差较大，因此，需要一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超高应变率下材料本构和失效模型的参数识别方法，包括以下步骤：

1)对待测材料进行霍普金森拉杆试验，获得高应变率下材料整个变形和失效过程的应力应变曲线，将应力应变曲线设为优化目标1；

2)根据待测材料的现有本构和失效模型参数，将其作为本构和失效模型参数初始值A0，通过数值计算得到与步骤1)相同应变率下的应力应变曲线，然后对步骤1)中试验应力应变曲线进行反向优化，优化得到材料本构和失效模型参数A1；