[发明专利]预测微粒冲击金属件残余应力和马氏体相变的有限元方法

说明书

本发明公开了一种预测微粒高速冲击下金属构件残余应力和马氏体相变的有限元方法，包括以下步骤：(1)建立微粒冲击金属构件的有限元模型；(2)建立综合考虑了塑性应变强化和马氏体相变强化的率相关弹塑性本构模型；(3)编写ABAQUS‑VUMAT用户动态材料子程序，运用应力补偿更新算法实现提出的率相关弹塑性本构模型；(4)将子程序嵌入到ABAQUS中，对微粒流冲击金属构件的过程进行计算，进一步获得金属构件内部的残余应力以及马氏体相的百分比含量。本发明可以用于任意数量的微粒对任意结构形式的金属构件进行冲击的残余应力和马氏体相变预测。

技术领域

本发明涉及金属构件残余应力和组织相变预测，旨在提供预测微粒高速冲击下金属构件残余应力和马氏体相变的有限元方法。

背景技术

微粒流冲击采用大量微粒反复冲击金属构件，引入有益的残余压应力，残余压应力可促使金属表面裂纹闭合，抑制裂纹扩展，提高疲劳裂纹扩展寿命，改善金属构件的抗疲劳性能。而且表层组织发生塑性变形，发生形变诱发马氏体相变，进而产生马氏体相变强化。因此，研究残余应力产生和马氏体相变对推进微粒冲击技术的应用与发展非常关键。由于实验研究费时费力，而且在实际的工程应用中还会受到一定的制约，因此，有限元法成为主要的研究手段。

构建微粒高速冲击金属构件的数值模型时，准确描述金属材料的本构关系至关重要。近年来研究中材料的本构关系多采用Johnson-Cook模型，该模型考虑了应变硬化和应变率硬化的影响，但是没有考虑到马氏体相变强化的影响，残余应力的预测结果并不准确，更无法对高速冲击下金属材料马氏体相变进行研究。因此，提出一种可以准确预测微粒高速冲击下金属构件内残余应力和马氏体相变的材料率相关弹塑性本构模型尤为必要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能准确预测微粒高速冲击下金属构件残余应力和马氏体相变的有限元方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：一种预测微粒高速冲击下金属构件残余应力和马氏体相变的有限元方法，包括以下步骤：

(1)建立微粒冲击金属构件的有限元模型；

(2)建立综合考虑了塑性应变强化和马氏体相变强化的率相关弹塑性本构模型；

(3)编写ABAQUS-VUMAT用户动态材料子程序，运用应力补偿更新算法实现提出的率相关弹塑性本构模型；

(4)将子程序嵌入到ABAQUS中，对微粒流冲击金属构件的过程进行计算，进一步获得金属构件内部的残余应力以及马氏体相的百分比含量。

进一步的，所述步骤(1)具体为：

基于ABAQUS建立单个或多个球形微粒、金属构件，分别设置材料属性和划分网格，再进行ASSEMBLY对其组装之后设置分析步和通用接触属性。

进一步的，所述步骤(2)具体包括下述步骤：

步骤(2.1)建立金属材料的本构关系：

Δσ＝D：Δε^e

其中，Δσ为应力增量张量，D为弹性模量张量，Δε^e为弹性应变增量张量；

步骤(2.2)建立塑性模型，具体建立方式为：

考虑塑性应变强化和马氏体相变强化的流动准则为：