[发明专利]一种基于依赖性的集成唯象本构的多目标优化方法

说明书

本发明公开的一种基于依赖性的集成唯象本构的多目标优化方法，属于材料力学性能表征、机械制造和数值分析技术邻域。本发明通过考虑测量误差、不同加载条件下数据点数量或本构参数数量、准静态和动态同等的优化机会而引入的三类加权因子而构建的多目标优化方法，依据优化质量准则，依次确定准静态变形下的非耦合的应变硬化函数，准静态变形下热软化函数，准静态变形下耦合温度的应变硬化函数，准静态和动态变形下非耦合应变率敏感性函数，准静态和动态变形下耦合温度的应变率敏感性函数，进而确定唯象本构模型的基本形式；利用多权重的多目标优化方法，根据所有加载条件下的试验数据拟合所确定本构模型的具体形式。

技术领域

本发明涉及一种基于依赖性的集成唯象本构的多目标优化方法，属于材料力学性能表征、机械制造和数值分析技术邻域。

背景技术

工业成形和制造过程中，材料经历复杂的应变、应变率和温度史。充分理解材料的流动行为对材料成形和制造工艺规划非常重要。因此，为描述材料在变形过程中的流动规律，需要开发和建立本构模型，它反映了在不同变形速率和温度载荷工况下材料的力学行为。本构方程是一种表示材料流动应力与塑形应变、应变率和温度关系的数学模型，它以一种能嵌入有限元软件的形式描述了材料在变形过程中热力行为。目前，用于构造金属及其合金材料本构关系的模型有两大类：物理模型和模型。其中，塑性本构模型在成形、制造和结构力学模拟中被广泛引用，它通常表示为由一定数量的材料常数表示应变率、温度、塑形应变和某些材料物理属性与流动应力之间关系的数学描述。一个理想的本构方程含有大量的材料常数，这些材料常数中一些是通过微观结构观测或力学试验获得，一些也需要通过静态和动态力学试验数据拟合得到的。为表征应变率、变形温度、塑形应变、某些材料物理属性对流动应力的影响，需要进行大量单因素力学试验。特别是在高速冲击和加工制造领域内，材料变形往往经历在宽泛应变率和温度范围内的大塑性变形，这需要进行大量在宽泛应变率和温度范围内的力学试验。一个理想的本构模型应该能够同时准确地反映在静态和动态下材料的力学特性，而大多数工程材料在低、高应变率或温度下的力学行为有所不同。并且随着新材料的不断涌现，经典的本构方程(比如Johnson-Cook、Arrhenius-type,Zerilli-Armstrong等等)并不能准确地预测在宽泛应变、应变率和温度范围内的流动应力，这都对于材料本构模型的确定提出了挑战。为改善上述经典本构模型的可适用性，需要针对特定材料(通过引入应变率与温度的耦合、应变与温度的耦合、应变-应变率-温度的耦合、某些物理属性与温度的耦合、某些物理属性与应变耦合、高应变下应变软化、微观损伤、尺度效应等)开发一些基于经典本构方程的修正模型，这增加了本构模型的复杂性和材料参数的数量，同时也增加了开发这一类本构模型的成本。

一个唯象本构模型实际上一个表征材料在不同载荷下材料复杂的力学响应的经验数学描述，通常采用宏观或介观尺度的力学试验结果拟合这个实用的用于本构表示的数学函数。而本构模型的准确表达往往与开发者的经验有关，这增加了相同材料本构开发的不确定性和非统一性。在本构模型数学形式确定后，接下来的本构模型材料参数拟合会随着需精确表征本构模型的参数数量的增加而越发困难。在这种情况下，对采用传统的材料参数确定方法在拟合精度和可行性方面提出了挑战。

因此，广泛应用唯象本构模型进行工业仿真的主要困难在于：本构模型的传统拟合方法需要在较宽载荷范围内进行大量的力学试验，对于一系列解释变量(塑性应变，应变率，变形温度和试验的可观测材料行为)之间耦合关系的定义，以及随着表征本构模型的材料参数增多确定难度增大。本发明的目的是提出一种基于依赖性的集成唯象本构的多目标优化方法。

发明内容