基于单轴拉伸应力应变曲线的延性损伤演化参数逆解方法与流程

本发明涉及金属材料力学性能分析，特别是涉及一种基于单轴拉伸应力应变曲线的延性损伤演化参数逆解方法。

背景技术：

1、单轴拉伸试验是金属材料力学性能测试的一种基本方法，通常由单轴拉伸试验获得材料的载荷-标距伸长量曲线，然后假定试样标距范围内均匀变形，将载荷-标距伸长量曲线转换为应力-应变曲线。诸多力学性能中，最基础且最重要的便是单轴拉伸试验工程应力应变曲线，它反映了准静态外加载荷下材料发生弹性变形、屈服现象、应变强化、局部变形以及最终断裂整个过程的力学响应，从中依次可以提取弹性模量、泊松比、屈服强度、应变强化关系、抗拉强度等结构强度分析模拟必不可少的材料性能参数。在出现最大载荷后，试样的塑性变形迅速由均匀单轴状态转入局部多轴状态，即发生颈缩现象。这使测得的材料真实应力-应变关系必须截止于最大载荷，无法通过单轴拉伸试验直接获得颈缩后的应变强化特性以及延性损伤演化规律，而这两项数据的缺乏是制约延性金属材料大应变过程和延性断裂行为模拟的瓶颈。

2、目前，研究者们已经提出了形状解析解法、实验-数值模拟迭代法和逆解法三类方法用于修正颈缩后的应力应变曲线，但鲜有工作关注到拉伸断裂过程的延性损伤演化关系，其主要原因在于难以测量损伤萌生及演化时所对应的应变。以延性金属材料圆棒拉伸试样为例，其裂纹萌生于芯部，这里在整个拉伸过程能够保持较为理想的单轴应变状态，而由于缺乏横向塑性流动的补充，最早发生断裂。对于具有特殊塑性变形状态的试样芯部，还没有效手段可以实际测得损伤演化时的应变变化，进而无法定义准确的延性损伤演化参数。

3、有限元法是一种起源于上世纪50年代航空器结构强度设计的数值分析方法。经过数十年的发展，并且得益于计算机技术的迅速进步和普及，有限元仿真模拟如今已经被广泛地应用于各个工程设计和科学研究领域，是解决复杂分析计算问题的有效途径。有限元模拟方法在金属材料结构强度分析问题中具有不可替代的重要地位。建立模型时，需要将实测材料力学性能数据赋予模型，从而使其具有目标材料的力学响应。加强有限元模拟方法在延性损伤演化参数求解过程中的应用，是突破延性金属材料大应变过程和延性断裂行为模拟的瓶颈的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于单轴拉伸应力应变曲线的延性损伤演化参数逆解方法，避免了难以实测理想单轴应变的困难，使有限元模拟中单轴载荷下材料损伤萌生、演化及断裂过程的力学响应，获得准确、可靠的延性损伤演化参数。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于单轴拉伸应力应变曲线的延性损伤演化参数逆解方法，该方法包括以下步骤：

4、s1，基于延性金属材料试样的单轴拉伸试验，获取实测工程应力应变曲线以及材料性能参数；

5、s2，基于材料性能参数，采用有限元分析软件，构建延性金属材料试样的有限元模型；

6、s3，基于有限元模型，进行单轴拉伸的有限元模拟，获得无损伤萌生和演化参数的模拟工程应力应变曲线；

7、s4，将模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线进行比较，取最大载荷的应变为损伤萌生应变取断裂时的应变为失效应变获得损伤演化数组并将损伤演化数组以表格形式输入延性金属材料损伤和失效属性，其中，为塑性等效位移数组和di为损伤变量数组；

8、s5，将损伤演化数组以表格形式输入延性金属材料损伤和失效属性，再次进行单轴拉伸的有限元模拟，更新模拟工程应力应变曲线；

9、s6，分别定义延性缩放系数m和损伤缩放系数n，调整塑性等效位移数组和损伤变量数组di；

10、s7，基于调整后的塑性等效位移数组和损伤变量数组di，重复步骤s5-s6，进行单轴拉伸的有限元模拟以及m和n的微调，直至模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线达到设定匹配条件，得到可在有限元模拟中重现颈缩后工程应力应变曲线的延性损伤演化参数。

11、进一步地，所述s1，基于延性金属材料试样的单轴拉伸试验，获取实测工程应力应变曲线以及材料性能参数，具体包括：

12、基于拉伸试验标准，对延性金属材料试样进行单轴拉伸试验，获得延性金属材料的力学性能数据，确定实测工程应力应变曲线；

13、从力学性能数据中提取弹性模量e、泊松比v，建立延性金属材料试样的应变硬化模型；

14、基于应变硬化模型，得到材料性能参数。

15、进一步地，所述拉伸试验标准包括gb/t 228.1-2021、iso 6892-1：2019、astm e8/e8m20-21；

16、所述力学性能数据为延性金属材料完全断裂前的完整工程应力应变曲线，并将其作为实测工程应力应变曲线；

17、所述应变硬化模型为与温度、应变速率无关的johnson-cook应变硬化模型。

18、进一步地，其特征在于，所述s2，基于材料性能参数，采用有限元分析软件，构建延性金属材料试样的有限元模型，具体包括：

19、在有限元分析软件中，建立拉伸试样模型，设置施加位移和提取反作用力的控制点，设置提取位移的几何点；

20、输入材料性能数据，赋予拉伸试样模型材料属性并建立装配体，得到延性金属材料试样的有限元模型。

21、进一步地，所述s3，基于有限元模型，进行单轴拉伸的有限元模拟，获得无损伤萌生和演化参数的模拟工程应力应变曲线，具体包括：

22、在有限元分析软件中，基于有限元模型，建立分析步，并设置场变量输出和历史变量输出；

23、在控制点与试样加载端面之间建立耦合约束，对控制点施加位移边界条件，对试样固定端面施加固定约束，对轴向截面施加对称边界条件；

24、采用六面体单元对理论等截面平行长度部分进行网格划分，将六面体单元沿试样轴向的边长定义为模型网格的特征长度lc，并赋予模型单元类型，开启单元删除选项；

25、提交有限元模型进行有限元模拟计算，完成后从施加位移和提取反作用力的控制点提取反作用力，计算应力；从提取位移的几何点提取轴向位移，计算应变，从而得到无损伤萌生和演化参数的工程应力应变曲线。

26、进一步地，所述理论等截面平行长度部分的中间截面有0.8％的直径缩减。

27、进一步地，所述有限元分析软件为abaqus，所述分析步为显示动力学(dynamic，explicit)分析步，关闭非线性几何(nlgeom)选项。

28、进一步地，所述s4，将模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线进行比较，取最大载荷的应变为损伤萌生应变取断裂时的应变为失效应变获得损伤演化数组具体包括：

29、基于损伤萌生应变失效应变以及模型网格的特征长度lc，计算等效塑性位移的公式为：

30、

31、计算损伤变量di的公式为：

32、

33、式中，σ为实测工程应力应变曲线上的应力，σ′为无损伤萌生和演化参数工程应力应变曲线上相应的应力。

34、进一步地，所述s6，分别定义延性缩放系数m和损伤缩放系数n，调整塑性等效位移数组和损伤变量数组di，具体包括：

35、定义延性缩放系数m，调整损伤演化数组中的塑性等效位移数组得到缩放后的塑性等效位移数组由下式计算：

36、

37、定义损伤缩放系数n，调整损伤演化数组中的损伤变量数组di，得到缩放后的损伤变量数组di，*，由下式计算：

38、di，*＝di(1+ndi)。

39、进一步地，所述s7，基于调整后的塑性等效位移数组和损伤变量数组，重复步骤s5-s6，进行单轴拉伸的有限元模拟以及m和n的微调，直至模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线达到设定匹配条件，得到可在有限元模拟中重现颈缩后工程应力应变曲线的延性损伤演化参数，具体包括：

40、基于缩放后的塑性等效位移数组修改延性金属材料损伤和失效属性后提交有限元模型进行计算，依据模拟结果反复修正延性缩放系数m，使模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线的断裂总延伸率差异小于10％；

41、基于缩放后的损伤变量数组di，*，修改延性金属材料损伤和失效属性后提交有限元模型进行计算，依据模拟结果反复修正损伤缩放系数n，使模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线的断裂应力差异小于10％；

42、经反复微调延性缩放系数m和损伤缩放系数n，使模拟工程应力应变曲线与实测工程应力应变曲线颈缩后部分重合，获得可在有限元模拟中重现颈缩后工程应力应变曲线的延性损伤演化参数。

43、根据本发明提供的具体实施例，本发明提供的基于单轴拉伸应力应变曲线的延性损伤演化参数逆解方法，公开了以下技术效果：

44、该方法从单轴拉伸试验测得的实测工程应力应变曲线中提取材料性能参数建立有限元模型，重现了单轴拉伸试验的完整过程，定义了延性缩放系数和损伤缩放系数以调整延性金属材料损伤和失效属性，使得模拟工程应力应变曲线颈缩后部分不断逼近实测工程应力应变曲线，最终获得可在有限元模拟中重现颈缩后工程应力应变曲线的延性损伤演化参数。本发明公开的方法通过有限元仿真模拟重现了单轴拉伸断裂的完整过程，进一步反复对照实际工程应力应变曲线实现了损伤演化参数的逆向求解。该方法避免了理想单轴状态裂纹萌生极限应变难以实测的困难，解决了有限元模型几何非线性导致的过早颈缩问题，为延性金属材料结构单轴拉伸断裂有限元模拟提供了可靠的损伤演化参数，使结果更为准确，与实际单轴拉伸过程更加符合。