[发明专利]预测冲击载荷下激光冲击成形极限的有限元方法

说明书

本发明提供了预测冲击载荷下激光冲击成形极限的有限元方法，涉及薄板金属构件损伤失效成形技术，首先，建立薄板金属构件在高斯分布冲击载荷下损伤失效的有限元模型；其次，建立硬化弹塑性本构模型；然后，利用FORTRAN语言编写ABAQUS用户动态材料子程序模块，运用中心差分算法实现提出的弹塑性本构模型；最后，将子程序嵌入到ABAQUS中，对激光冲击薄板金属构件的高应变速率成形过程进行计算，进一步预测薄板金属构件的力学行为，其中，利用最大应变率准则来判断薄板金属构件的成形极限。本发明利用建立的有限元模型预测薄板金属构件的成形极限，给出的成形极限图对研究激光动态高应变速率成形中薄板金属构件的成形性具有很好的参考价值。

技术领域

本发明涉及到薄板金属构件成形失效的预测领域，特别涉及到预测薄板金属构件在冲击载荷下激光冲击成形极限的有限元方法。

背景技术

激光冲击成形技术是一种高应变速率的加工技术，它利用脉冲激光对烧蚀涂层进行汽化和电离，从而产生复杂的三维结构，特别适合于微成形结构的加工。同时，与传统的板料成形技术(如冲压和拉深)相比，激光冲击成形不受模具尺寸的限制，因为激光脉冲产生的等离子体的膨胀负责对工件施加压力。与其他加工技术(如光刻技术)相比，激光冲击成形具有成本低、速度快、适合于不同材料和各种三维形状的成形。然而，由于缺乏微尺度和亚微米尺度的测量技术，激光冲击成形中工件的成形性研究很少。

准确描述材料的本构关系是预测金属材料在冲击载荷下力学行为的前提。在目前的研究中心材料的本构关系多采用ABAQUS有限元软件自带的Johnson-Cook模型，该模型反映了材料的应变影响和应变率影响。但是，由于激光冲击成形是一种高应变速率成形加工技术，在高应变速率成形下，材料的应变率敏感性增加。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种薄板金属构件损伤失效成形极限的预测技术，旨在通过该预测技术去预测薄板金属构件在激光冲击高应变率成形过程中的应变率敏感性。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种适用于预测激光冲击成形极限的有限元方法，包括以下步骤：

步骤1：建立薄板金属构件在高斯分布冲击载荷下损伤失效的有限元模型；

步骤2：建立综合考虑应变硬化、应变率强化、高应变速率敏感性的材料率相关混合硬化弹塑性本构模型；

步骤3：利用FORTRAN语言编写ABAQUS/VUMAT，即ABAQUS用户动态材料子程序模块，运用中心差分算法实现提出的弹塑性本构模型；

步骤4：将子程序嵌入到ABAQUS中，对激光冲击薄板金属构件的高应变速率成形过程进行计算，进一步预测金属材料的力学行为，其中，可以利用最大应变率准则来判断金属材料的成形极限。

所述步骤(1)具体为：

首先，创建薄板金属构件的有限元模型；其次，设置薄板金属构件的材料属性；然后，根据激光的脉宽设置分析步时间，在设置完分析步之后，对薄板金属构件施加高斯分布冲击载荷；最后，划分网格，提交作业。

所述步骤(2)具体为：

在高应变率下，用Johnson-cook本构模型模拟激光动态成形低估了流动应力，材料的敏感性在高应变率范围变得相当大，因此，为了更准确地描述材料的行为，将Johnson-cook本构模型进行修改，以此适用于激光动态高应变速率成形的工况，修正模型如下：

其中，A为准静态下的屈服强度；B为应变强化系数；ε为塑性应变；ε₀为参考应变；n为应变硬化系数；C为应变率强化系数；为临界应变率；为参考应变率；为应变率；m为应变率敏感系数，Ln为对数。

所述步骤(3)具体为：