[发明专利]微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法

说明书

本发明公开了微观‑宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法。本发明建立微观塑性本构模型并耦合宏观几何，同时进行钣金成形工艺模拟，在此基础上建立微观‑宏观耦合疲劳损伤模型进行疲劳寿命预测，探索钣金成形工艺与疲劳失效机理，为工程应用提供理论指导和工艺优化依据。从微观角度探索钣金成形过程材料性能与塑性变形演化分布；研究晶粒尺寸与取向分布及析出相分布等微观特征对钣金成形工艺的影响与贡献程度；进一步耦合宏观模型和工艺研究疲劳损伤和评估构件疲劳寿命。本发明是一种可靠高效的计算模型与评估方法，相关模型与算法的建立具有重要的科学创新性和工程应用价值。

技术领域

本发明涉及金属钣金成形技术领域，具体涉及一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法。

背景技术

由于生产效率高、加工成本低廉，钣金成形工艺广泛应用于工业生产中，尤其是汽车和模具行业。目前，金属材料钣金成形工艺存在的主要问题是：撕裂、起皱和回弹。产生这些问题的原因一方面是由于金属材料在室温钣金成形过程中会产生加工硬化现象，造成拉伸和屈服强度的提升及韧性的降低。尤其是在加工过程中材料内部微观损伤和缺陷的存在与形成会造成工具服役寿命的急剧降低，其主要原因是成形过程材料微观结构与内部应力状态的改变；另一方面是由于目前越来越复杂的钣金零件设计。此外，由于金属零件钣金成形过程特性和服役工况条件，也易造成其在工程应用中发生疲劳失效和损伤。因此，从微观-宏观角度来研究钣金成形工艺及进行疲劳寿命评估具有创新性和工程应用价值。

一直以来，钣金成形数值模拟都是基于宏观几何、材料和接触等非线性算法，进行成形工艺与材料参数优化计算，基于宏观几何进行钣金成形工艺模拟，获得成形回弹变形等参数，并未涉及到材料微观结构特征和相关疲劳寿命的分析预测。因此，现有的钣金成形模拟技术仅仅是局限于宏观层次的研究，并且模拟结果也仅限于应力/应变参数，针对微观-宏观耦合进行钣金成形过程应力应变与疲劳寿命预测计算基本还未涉及到。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法解决了现有钣金成形数值计算中无法考虑微观-宏观多尺度耦合行为和材料损伤及疲劳寿命预测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；

S2、在微观-宏观尺度耦合模型的基础上建立疲劳损伤与寿命评估模型；

S3、基于微观-宏观尺度耦合模型的疲劳损伤与寿命评估模型评估损伤与疲劳寿命。

进一步地：所述步骤S1的具体步骤为：

S11、基于宏观几何尺寸与材料微观结构特征建立晶粒晶核坐标信息；

S12、将晶粒晶核坐标信息通过Voronoi算法生成二维或三维晶粒模型并将其网格化；

S13、根据钣金成形工艺特征和材料微观结构特征建立应变速率相关的塑性本构模型；

S14、基于二维或三维晶粒模型和塑性本构模型在Abaqus软件中设置宏观材料属性、晶粒属性和钣金成形工艺参数建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；

S15、当微观-宏观尺度耦合模型验证合格时，则输出该模型，否则，修改晶粒晶核坐标信息，并返回步骤S12。

进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：

S21、基于微观-宏观尺度耦合模型定义材料损伤变量，并对损伤变量进行初始化；

S22、在微观模型上施加工艺和疲劳载荷及边界条件；