[发明专利]一种考虑激光冲击强化的金属弹塑性本构行为的预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑激光冲击强化的金属弹塑性本构行为的预测方法，针对激光冲击强化后的金属材料，获取残余应力场、晶粒尺寸分布场，结合弹塑性理论，考虑到热和非热部分流动应力，建立了考虑激光冲击强化效应的金属弹塑性本构模型。同时将激光冲击强化引起的残余应力场和微结构变化引入有限元模型中，通过有限元模型仿真计算得到修正后金属弹塑性本构模型的材料参数，从而综合考虑激光冲击强化对金属材料产生的各种影响因素，计算不同残余应力场及晶粒尺寸分布场下的拉伸屈服曲线，使得对激光冲击强化后金属材料的力学行为预测精准度更高。

技术领域

本发明涉及结构强度及有限元数值模拟领域，尤其是一种考虑激光冲击强化的金属弹塑性本构行为的预测方法。

背景技术

激光冲击强化是一种利用激光诱导等离子体冲击波来提高金属材料屈服强度以及疲劳寿命的新型表面改性技术，该技术已广泛应用于航空航天等领域。激光冲击可使得金属表层的微观结构发生变化，表面晶粒细化，位错堆积，并在较厚的深度上形成残余压应力，这些是冲击后材料力学性能显著变化的主要原因。Sanchez等人“Effects of lasershock peening on the mechanisms of fatigue short crack initiation andpropagation of AA7075-T651”和Lai,Wei Jen等人“Effect of residual stress onfatigue strength of 316L stainless steel produced by laser powder bed fusionprocess”研究了激光冲击强化后以及残余应力对材料力学性能和疲劳性能的影响，在实验上探究激光冲击强化对宏观力学性能和疲劳性能的研究已经越来越丰富。同时数值模拟上也有所进展，Keller等人“Experimental and numerical investigation of residualstresses in laser shock peened AA2198”开展了激光冲击强化后残余应力的数值仿真。在针对激光冲击强化所产生残余应力的研究中，现阶段较为成熟的仿真是利用有限元软件ABAQUS实现的。其中专利CN 114638130 A“一种考虑激光冲击强化效果的疲劳寿命预测方法”利用ABAQUS子程序USDFLD和HARDINI预测了材料激光冲击强化后的疲劳寿命，但是却没有进行宏观力学性能的预测，并且没有考虑激光冲击强化对材料带来的微结构变化的影响。

因此建立考虑激光冲击强化效应产生的残余应力，晶粒尺寸和位错密度变化影响的金属弹塑性本构模型对研究金属材料力学性能的变化以及指导安全服役至关重要，而相关理论模型尚有待发展。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种考虑激光冲击强化的金属弹塑性本构行为的预测方法，综合考虑了激光冲击强化带来的残余应力以及微结构变化的影响，使得对激光冲击强化后金属材料的本构行为预测精度更高。

技术方案：本发明提供了一种考虑激光冲击强化的金属弹塑性本构行为的预测方法，包含以下步骤：

步骤1：对材料进行激光冲击强化试验，针对激光冲击强化后的材料，获取材料沿激光冲击方向的残余应力场、晶粒尺寸分布场；

步骤2：拟合得到残余应力场中的残余应力沿激光冲击方向的目标函数，以及晶粒尺寸分布场中的晶粒尺寸沿激光冲击方向的目标函数；

步骤3：基于所述残余应力场和激光冲击强化引起的微结构变化修正材料的流动应力，建立修正后的金属弹塑性本构模型；

步骤4：根据未经过激光冲击强化材料的晶粒尺寸和拉伸实验曲线，通过有限元模型仿真计算，计算未经过激光冲击强化的材料拉伸屈服行为，拟合未经过激光冲击强化的应力应变实验数据，得到最优材料参数，该最优材料参数作为修正后金属弹塑性本构模型中的材料参数；