[發明專利]一種測定材料超高應變速率下本構模型參數的方法

有效

• 申請號: 201310287333.2
• 申請日: 2013-07-09
• 公開（公告）號: CN103364261A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 臧順來;聶祥樊;李少鵬;趙潔;劉俊華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01B17/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術領域

本發明屬于材料表征、測試和數值分析技術領域，具體涉及一種測定材料超高應變速率下本構模型參數的方法。

背景技術

材料拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下，測定材料特性的試驗，從中得到較低應變速率條件下的應力應變曲線?；羝战鹕瓑簵U試驗是一種基于一維應力波理論、利用高速撞擊的方式獲取材料在高應變速率下動態力學響應曲線的方法。表面輪廓儀是通過儀器的觸針與材料表面的滑移進行測量，從而得到材料表面形貌。X射線應力測定是指X射線衍射儀發射一定波長的單色X射線束到材料表面，根據材料衍射時的布拉格衍射定律，測定材料或構件表面一定范圍和深度內的殘余應力。

激光沖擊強化是一種采用短脈沖（ns級）、高峰值功率密度（GW/cm²級）的激光輻照金屬表面，使金屬表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量并發生爆炸性氣化蒸發，產生高壓的等離子沖擊波，利用沖擊波的力學效應使材料在沖擊波作用下發生超高應變速率（10⁶s^-1）動態響應，使表層材料微觀組織發生細化并形成高數值殘余壓應力，從而有效提高材料的抗疲勞、抗腐蝕和抗磨損等性能。常溫下激光沖擊后的高數值殘余壓應力對材料性能的提高起著決定性作用，因此通過數值預測材料激光沖擊后的殘余應力分布，可以優化激光沖擊強化工藝方案，更加直接有效地提高材料的性能。

本構模型參數的準確性是表征材料在不同應變速率條件下力學響應特性的關鍵。由于激光沖擊強化過程中超高應變速率的特點造成現有測試手段無法直接獲得超高應變速率下材料單向應力應變關系，難于獲得材料在超高應變速率下的本構模型參數，進而無法準確表征超高應變速率下材料的應力應變關系，造成現有常用率相關本構模型參數下殘余應力預測的誤差，無法準確預測激光沖擊強化后的殘余應力場分布，因此需要一種測定適合于超高應變速率下的本構模型參數的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種測定材料超高應變速率下本構模型參數的方法，該方法能夠通過不同應變速率下材料的力學性能測試，獲得材料在不同應變速率條件下的力學性能結果，再通過反向優化獲得材料在超高應變速率下的本構模型參數。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種測定材料超高應變速率下本構模型參數的方法，包括以下步驟：

1）根據待測材料的基本力學性能參數及現有本構模型參數，給待測材料賦予初始值A₀，對待測材料進行拉伸試驗，獲得材料在低應變速率下的應力應變曲線；對待測材料進行霍普金森壓桿試驗，獲得材料在高應變速率下的應力應變曲線；

2）將待測材料進行拉伸試驗得到的應力應變曲線設為優化目標1，將待測材料進行霍普金森壓桿試驗得到的應力應變曲線設為優化目標2，并根據優化目標1和優化目標2，反向優化出符合低、高應變速率下應力應變曲線的本構模型參數A₁；

3）將A₁作為激光沖擊強化數值模擬的初始參數，并將激光沖擊強化試驗參數作為數值計算的邊界條件，進行相應的激光沖擊強化數值模擬，計算得到殘余應力空間模擬結果和表面形變模擬結果，并根據X射線衍射應力測定的空間范圍，對數值模擬的殘余應力值進行空間統計；

4）對待測材料進行X射線應力測定試驗，得到材料在激光沖擊強化后的殘余應力值作為優化目標3，對待測材料進行表面形貌測試試驗，得到材料在激光沖擊強化后的表面形變量作為優化目標4，并將優化目標3和優化目標4作為超高應變速率下的優化目標，對步驟3）所述的激光沖擊強化數值模擬計算得到的殘余應力空間模擬結果和表面形變模擬結果進行反向優化，最后優化出本構模型的最后參數A₂,即得到材料在超高應變速率下的本構模型參數。

步驟2）、4）所述的反向優化是通過對比現有本構模型參數下數值計算結果與實際測量結果，再利用基于最小二乘逼近法的MATLAB反向優化工具對本構模型參數進行反復插值、迭代，直至達到最小二乘算法的停止條件，從而優化出符合實際力學性能的材料本構模型參數。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：