[发明专利]金属材料各向异性屈服及硬化本构参数同步表征方法

说明书

本发明公开了一种金属材料各向异性屈服及硬化本构参数同步表征方法，用于解决现有金属材料参数表征方法实用性差的技术问题。技术方案是设计适当的试件构型，使试件在简单的拉伸或压缩载荷作用下同时产生丰富的正应变和剪切应变，且在一定的压缩应变范围内试件面外变形处于较低水平，从而实现仅结合一次循环拉伸‑压缩实验和一次单向拉伸实验，即可利用虚场法同步表征金属材料数量众多的各向异性屈服和各向异性塑性硬化本构参数。与背景技术各向异性参数表征方法相比，本发明仅在一台单轴试验机上即可完成，无需双轴拉伸机、液压膨胀试验机、剪切实验装置等，简化了实验设备和实验过程。实用性好。

技术领域

本发明涉及一种金属材料本构参数表征方法，特别涉及一种金属材料各向异性屈服及硬化本构参数同步表征方法。

背景技术

先进高强度钢、铝合金、镁合金等先进金属材料因其优良的力学和物理性能广泛应用于汽车、航空、航天、兵器等工业领域。采用塑性成形工艺生产这些金属制件时，特别是大量使用的轧制板材类制件，精确控制制件构型尺寸往往难度较大，原因在于这些材料卸载时会表现出显著的回弹。众所周知，变形金属材料的回弹与其各向异性屈服及各向异性塑性硬化行为(如包辛格效应和永久软化效应)密切相关。在工业生产领域中，基于适当的各向异性屈服模型和各向异性塑性硬化模型，如Hill1948、YLD2000-2D屈服模型和运动硬化模型、扭曲型塑性硬化HAH模型等，采用有限元软件数值模拟材料弹塑性变形过程是预测材料回弹等力学行为的有效手段，而确定材料在该模型下的本构参数，则是开展数值模拟的重要前提。通常，精确的本构模型往往形式复杂且模型本构参数众多，因此，用于表征模型本构参数所需的力学特征实验也数量较大且复杂程度较高。

对于各向异性屈服和塑性硬化本构模型参数的表征可通过基于均匀应力应变状态假设的常规力学特征实验组合来实现。

文献1“Zang SL,et al.,International Journal of Mechanical Sciences,2011，53(5)，338-347”分别开展了多个不同取向角方向的等截面单向拉伸实验、轧制方向简单剪切实验、液压膨胀实验以及循环剪切-反向剪切实验，用于表征低碳钢和双相钢的各向异性屈服和塑性硬化本构参数。这类常规测试方法虽可以有效表征材料各向异性本构参数，但所需实验设备较多，且实验数量较大，过程较为复杂。

文献2“Zhang SY，et al.，International Journal of Mechanical Sciences,2014.85(1-4)，142-151”采用有限元模型更新法，基于双轴拉伸实验和数字图像相关应变场数据，通过循环更新有限元模型以最小化有限元模型与实验测量结果之间的差值，从而用一次实验表征了铝合金多个各向异性屈服参数。尽管有限元模型更新法可有效减少力学实验的数量，但其循环修正有限元模型的过程运算量大，耗时长。基于虚功原理的虚场法，充分利用了变形试件丰富的应变场数据，通过最小化试件弹塑性变形全过程中内外虚功的差值，可实现材料多参数一次表征。

文献3“Kim JH,et al.,Experimental Mechanics,2014.54(7),1189-1204”通过设计特定的试件构型以获得丰富的应力状态，并采用英国南安普顿大学Fabrice Pierron教授等提出的虚场法从两个材料方向的异形件拉伸实验中准确表征了双相钢的各向异性屈服参数，其运算时间不超过40分钟，远少于有限元模型更新法。综上，上述方法或是实验数量大、所需设备多，或是表征过程运算量大、耗时长，抑或是仅考虑到各向异性屈服参数的表征，因此，有必要提出一种新方法来同步且高效和简便地表征金属材料各向异性屈服和各向异性塑性硬化本构参数。

发明内容