[发明专利]一种基于虚场法在高温下对拼焊板中焊缝本构参数的表征方法

说明书

本发明涉及一种基于虚场法在高温下对拼焊板中焊缝本构参数的表征方法，一种基于热拉伸实验和虚场算法的金属板材塑性本构参数表征方法。该方法通过建立多种不同的塑性本构模型及其模型参数的虚场识别算法，设计开展高强钢拼焊板热拉伸实验，从具有变形场和应变场数据中，识别高温下高强钢拼焊板焊缝中不同本构模型的塑性参数。与用传统虚场法识别塑性参数相比，本发明通过使用K‑Means聚类算法代替Nelder–Mead梯度算法，并结合多种高温本构模型，即可实现拼焊板热成型中焊缝塑性属性的多参数准确表征，解决高温下高强钢拼焊板焊缝塑性本构参数难以获取的问题。

技术领域

本发明属于金属塑性力学属性表征方法，涉及一种基于虚场法对拼焊板焊缝本构参数的表征方法，具体涉及一种基于虚场法在高温下对拼焊板中焊缝本构参数的表征方法。

背景技术

近些年随着拼焊板被运用到热成形零件的生产中，为了减少热成形生产过程材料的回弹、破裂等缺陷，进行精确的拼焊板热成形仿真对实际的生产活动显得尤为重要。传统的拼焊板可以分为母材和焊缝两个部分，目前对于焊缝的材料属性研究主要局限在常温下，高温下焊缝的弹塑性本构模型由于热拉伸实验难以直接获取焊缝的应力应变关系而难以使用。想要进行精确的热成形仿真首先要了解拼焊板材料在高温下的力学性能，也就需要获得更加精确的拼焊板弹塑性本构参数。

材料本构参数的识别是实验力学领域的重要任务之一，并且一直是力学和材料领域研究人员关注的焦点。在研究人员的多年努力下，针对宏观材料的传统标准实验已被广泛应用，如单轴拉伸实验、霍普金森压杆实验等。然而，当面对类似拼焊板焊缝这种有着复杂本构关系的材料时，传统的直接方法由于未知数个数的增加而造成效率的降低，并且更加容易受到寄生边界效应的影响，因此一种针对更复杂物理模型本构参数表征的方法—反演识别法应运而生，其中针对反演本构参数，最具有代表性的就是虚场法(VirtualFifields Method)。虚场法由法国学Michel Gr′ediac于1989年首先提出，并在材料力学特性表征方面得到了广泛应用。

传统虚场法进行塑性参数反演的时候往往使用Nelder-Mead算法进行最后的计算，Nelder-Mead算法是一种求多元函数局部最小值的算法，其优点是不需要函数可导并能较快收敛到局部最小值。与Nelder-Mead算法不同，K-Means聚类算法是一种迭代求解的聚类分析算法。其步骤是，先将数据分为不同的组，随机选取多个对象作为初始的聚类中心，然后计算每个对象与各个种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心。聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类。每分配一个样本，聚类的聚类中心会根据聚类中现有的对象被重新计算。这个过程将不断重复直到满足某个终止条件。终止条件可以是没有(或最小数目)对象被重新分配给不同的聚类，没有(或最小数目)聚类中心再发生变化，误差平方和局部最小。

发明内容

发明目的：为了能通过虚场法更好的表征塑性材料的力学性能，建立精准的拼焊板热成型仿真模型，本发明提出了一种基于虚场法反演拼焊板高温变形下焊缝塑性本构参数的计算方法，它包含以下几个步骤：

步骤一：选择高强钢进行激光焊接形成高强钢焊接试样；

步骤二：在试件表面喷涂随机散斑；固定试件的一端，设定不同温度进行多次高温拉伸实验；拉伸的同时，利用双目相机获取高温拉伸阶段的数字图像；

步骤三：对数字图像进行图像相关运算，得到试件拉伸阶段各时刻的全场变形量，将试件划分多个区域，选取焊缝所对应的区域对其中的变形场进行数据处理，得到对应的载荷F(t_i)、真实应变ε_ij和划定的焊缝面积s_v；

步骤四、构建拼焊板塑性模型在不同高温与不同本构参数下的虚场识别方法：

建立适用于通常情况下识别塑性参数的虚场方程：