一种增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法技术

本发明专利技术公开了一种增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法。本发明专利技术首先建立了考虑了各向异性和非对称硬化的弹塑性模型，并在此基础上与延性损伤行为进行强耦合，从而进行不同加载路径下增材制造金属材料损伤失效的预测，探索增材制造金属材料及其构件力学性能评估的有效方法，为增材制造的零部件产品性能评估提供理论指导和加工工艺优化的依据。分别研究增材制造金属材料复杂的力学行为，进一步研究复杂塑性行为与损伤失效的关系；将该模型通过编写了VUMAT子程序方法实现数值计算，同时给出了参数标定的具体方案；基于标定的参数预测不同加载路径下弹塑性行为和损伤失效的发生。本发明专利技术方法基于全耦合弹塑性损伤模型进行增材制造金属材料的数值模拟与损伤失效预测，是一种可靠高效的计算模型与方法，相关模型的建立具有重要的科学创新性和工程应用价值。建立具有重要的科学创新性和工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法


[0001]本专利技术涉及金属材料加工领域，具体涉及一种增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法。

技术介绍

[0002]增材制造是一种三维实体快速自由成形的新型制造技术。相比于传统的制造方法，增材制造技术增加了设计的自由度，可制造出具有复杂几何构形且性能优异的零部件产品，因此在航空航天、机械制造等工业中已有大量应用。由于增材制造金属零部件制造过程的特殊性和服役工况的复杂性，极易造成在工程应用中发生损伤断裂失效。目前，对于增材制造金属材料弹塑性行为及损伤失效行为的预测缺乏可靠的模型与方法，由于增材制造金属材料微观结构的复杂性、受力状态的复杂性及增材制造构件几何形状复杂性三个方面的原因，使描述其损伤失效行为变得十分困难。其中，加工过程中极高的冷却速率和多种热处理工艺导致材料非常复杂的微观结构，表现出强烈的各向异性行为，即屈服应力的值在各个方向上不一致；同时在塑性大变形过程中还表现出非对称性硬化行为，即拉伸和压缩时应力应变曲线的演化不一致。因此，基于增材制造金属材料复杂力学行为建立弹塑性与损伤全耦合本构模型并进行弹塑性损伤失效的预测将具有很好的工程应用前景和创新性。
[0003]目前为止，关于增材制造金属材料弹塑性损伤行为的预测主要是基于微观晶体塑性模型和唯象宏观模型两种。微观模型可以精确地模拟增材制造金属材料微观组织的演化，但在实际的模拟计算过程中，单元数量的激增导致了计算效率低和模拟计算的成本高。由于增材制造零部件大多为传统加工方法无法制造的复杂构形，因此以多晶塑性模型为代表的微观模型很难满足高效计算的要求。唯象宏观本构模型是基于材料宏观力学响应建立的本构关系，一般是通过基础力学表征实验确定材料属性，利用函数拟合宏观力学响应的曲线。这类模型中的方程形式相对简单，因此在数值模拟时计算速度较快，在工业生产中受到特别青睐。但是现有的宏观模型没有考虑增材制造金属材料复杂的力学行为，无法准确预测增材制造金属材料弹塑性损伤失效行为。由此来看，现有的唯象宏观模型和微观晶体塑性模型都具有很大的局限性，对于增材制造金属材料弹塑性损伤失效的预测一直没有既准确又快速的方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术方法的各种局限之处，本专利技术提供的一种增材制造金属材料弹塑性损伤行为预测方法解决了复杂构型增材制造零部件数值计算中无法兼顾计算速度和计算精度的问题；本方法以增材制造金属材料微观变形机制的观测和宏观力学行为的表征为依据，综合考虑各向异性屈服准则和非对称性硬化规律，基于不可逆热力学框架下的连续介质损伤力学理论，得出增材制造金属材料的应力与应变的本构关系，进而建立弹塑性与延性损伤全耦合的本构模型，同时在损伤演化中考虑罗德角和微裂纹闭合效应来加载路径对损伤失效的影响。所建立模型状态变量的物理意义清晰，表达式唯一，能描述增材制造金属
材料从弹塑性阶段到损伤失效整个变形过程，因此将具有很高的精确性。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术涉及的增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法，该方法的具体步骤如下：
[0006]S1、建立能描述增材制造金属材料的各向异性和非对称硬化行为的弹塑性模型。
[0007]S2、在弹塑性模型的基础上，构建宏观弹塑性行为与延性损伤的强耦合关系，建立增材制造金属材料的全耦合弹塑性损伤模型。
[0008]S3、基于全耦合的弹塑性损伤模型预测增材制造金属材料在不同加载路径下的弹塑性行为和损伤失效行为。
[0009]进一步地：所描述S1的具体步骤为：
[0010]S11、研究增材制造后金属材料的微观组织特征，通过基础表征实验研究宏观各向异性行为；
[0011]S12、基于非线性屈服准则描述正交各向异性的基础上，引入第三应力不变量来同时描述拉伸和压缩状态时屈服应力的各向异性，建立描述屈服应力各向异性的屈服方程；
[0012]S13、使用等向硬化和随动硬化来描述增材制造金属材料的强化阶段的力学行为；在控制硬化的参数中引入罗德角系数，使其控制在拉伸和压缩加载时的硬化速率，建立非对称性硬化模型；
[0013]进一步地：所述步骤S12中建立的描述屈服应力各向异性的屈服方程为：
[0014][0015]上式中，f为屈服准则，σ为柯西应力，X表示随动硬化的应力，σ
y
为屈服应力，R为等向硬化的应力，||σ-X||
J2
为第二应力不变量表示的屈服应力，||σ-X||
J3
为第三应力不变量表示的屈服应力。
[0016]进一步地：所述步骤S13中描述随动硬化和等向硬化应力的计算公式为：
[0017][0018]R＝Qr，
[0019]上式中，C为控制随动硬化的参数，α是随动硬化的应变，Q为控制等向硬化的参数，r为等向硬化的应变。
[0020]为描述非对称硬化，分别在Q和C中引入罗德角系数其表达式为：
[0021][0022][0023]式中，Q1和Q2为等向硬化参数，C1和C2为随动硬化参数，tanh为双曲正切函数。
[0024]S1中所述的描述增材制造金属材料的各向异性和非对称硬化行为的弹塑性模型包括描述屈服应力各向异性的屈服模型、描述随动硬化和等向硬化应力的计算模型和非对称性硬化模型。
[0025]进一步地：所描述S2的具体步骤为：
[0026]S21、通过引入微裂纹闭合效应减慢损伤在压缩状态下累积速率，从而描述材料在拉伸和压缩状态下不同的损伤行为；
[0027]S22、在引入微裂纹闭合效应的基础上，在损伤演化中引入罗德角系数的影响，建立基于加载路径的损伤累积速率模型；
[0028]S23、基于总能量等效的原理，建立损伤与应力应变及硬化的全耦合关系，从而使损伤影响弹塑性行为，建立全耦合弹塑性损伤模型。
[0029]进一步地：所述步骤S21中所引入的微裂纹闭合效应的计算公式为：
[0030][0031]其中，η表示应力三轴度，h
v
是调节η的参数，tanh是双曲正切函数，h
c
取值范围从0到1，h
c
＝0表示微裂纹全部闭合，此时减慢损伤在压缩状态下累积速率的效应最大，h
c
＝1表示没有微裂纹闭合效应，不会减慢损伤在压缩路径下的累积速率。
[0032]进一步地：所述步骤S22中基于加载路径的损伤损伤累积速率模型为：
[0033][0034]上式中，为损伤累积速率，为塑性乘子，Y表示损伤能量释放率，h为微裂纹闭合效应参数，k,S
s
和S
t
为损伤参数。
[0035]进一步地：所述步骤S23中全耦合关系的模型为：
[0036]柯西应力与损伤耦合：σ＝(1-hd)λ
e
tr(ε
e
)1+2μ
e
(1-hd)ε
e
，
[0037]随动硬化与损伤耦合：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造金属材料的弹塑性损伤失效预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立能描述增材制造金属材料的各向异性和非对称硬化行为的弹塑性模型；S2、在弹塑性模型的基础上，构建宏观弹塑性行为与延性损伤的强耦合关系，建立增材制造金属材料的全耦合弹塑性损伤模型；S3、基于全耦合的弹塑性损伤模型预测增材制造金属材料在不同加载路径下的弹塑性行为和损伤失效行为。进一步地：所描述S1的具体步骤为：S11、研究增材制造后金属材料的微观组织特征，通过基础表征实验研究宏观各向异性行为；S12、基于非线性屈服准则描述正交各向异性的基础上，引入第三应力不变量来同时描述拉伸和压缩状态时屈服应力的各向异性，建立描述屈服应力各向异性的屈服方程；S13、使用等向硬化和随动硬化来描述增材制造金属材料的强化阶段的力学行为；在控制硬化的参数中引入罗德角系数，使其控制在拉伸和压缩加载时的硬化速率，建立非对称性硬化模型。进一步地：所描述S2的具体步骤为：S21、通过引入微裂纹闭合效应减慢损伤在压缩状态下累积速率，从而描述材料在拉伸和压缩状态下不同的损伤行为；S22、在引入微裂纹闭合效应的基础上，在损伤演化中引入罗德角系数的影响，建立基于加载路径的损伤累积速率模型；S23、基于总能量等效的原理，建立损伤与应力应变及硬化的全耦合关系，从而使损伤影响弹塑性行为，建立全耦合弹塑性损伤模型。进一步地：所描述S3的具体步骤为：S31、将所建立的模型通过回退映射的数值算法求解，编制VUMAT用户子程序；S32、确定参数标定的实验方案，标定出全耦合弹塑性损伤模型中的材料参数；S33、开展增材制造金属材料在不同加载路径下的有限元数值模拟。所述步骤S31中，有限元位移场的计算采用动态显示算法；内部状态变量采用完全隐式的本构积分过程，建立弹性预测-塑形修正的基本数值算法框架，通过返回算法使得更新后的广义应力等保持在屈服面上。通过牛顿拉夫逊算法计算弹塑性损伤模型中所有柯西应力、等向硬化、随动硬化、损伤的非线性增量，当屈服方程小于零时，弹性试应力位于屈服面内，该应变增量为全弹性并不产生新的塑性变形，则损伤在第n步的值即为最终的损伤值，否则，需通过塑性修正过程更新广义应力和内变量；所述步骤S32中，弹性参数、各向异性参数、硬化参数和损伤参数分步进行标定；所述步骤S33中，开展拉伸、压缩和剪切路径下弹塑性行为和损伤失效的数值模拟，预测增材制造金属材料的屈服面、不同加载路径的应力应变曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，刘建林，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：