[發(fā)明專利]基于聚類全局優(yōu)化算法預(yù)測(cè)材料力學(xué)行為的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410090479.2
• 申請(qǐng)日: 2014-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN103853927B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高麗紅;王揚(yáng)衛(wèi);范群波;王富恥;馬壯;黃志鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安,李愛(ài)英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種預(yù)測(cè)材料力學(xué)行為的方法，更確切的說(shuō)，特別涉及了一種基于聚類全局優(yōu)化算法預(yù)測(cè)材料力學(xué)行為的方法，屬于材料力學(xué)行為本構(gòu)方程模擬技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高速?zèng)_擊下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究對(duì)材料在沖擊環(huán)境下的應(yīng)用具有重要意義。許多工程應(yīng)用都涉及到高速應(yīng)變變形問(wèn)題，例如軍事上的穿甲和爆破、工業(yè)上的高速切削和爆炸成型以及汽車碰撞過(guò)程等，均與材料在沖擊載荷、高應(yīng)變率下的形變與破壞密切相關(guān)。預(yù)測(cè)并掌握高應(yīng)變率下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及其變形機(jī)制，可為高性能材料的設(shè)計(jì)與制備提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

材料在一定變形條件下應(yīng)力隨塑性應(yīng)變變化的規(guī)律由本構(gòu)方程描述，本構(gòu)方程參數(shù)是一切動(dòng)態(tài)力學(xué)數(shù)值模擬的前提，因此準(zhǔn)確的材料本構(gòu)方程參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)研究至關(guān)重要。J-C本構(gòu)模型是由Johnson和Cook于1983年針對(duì)金屬材料在大變形、高應(yīng)變速率和高溫條件下的流變行為提出的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停m然模型也存在一些問(wèn)題，但由于其形式簡(jiǎn)單，參數(shù)少容易獲取，使用方便，因而在工程中得到了廣泛應(yīng)用，在許多動(dòng)力學(xué)有限元分析軟件中都使用此模型。該模型的原始形式表述如下：

σ=(A+Bϵn)(1+Clnϵ·*)[1-(T*)m]---(1)]]>

式中σ為真應(yīng)力，ε為真塑性應(yīng)變；為無(wú)量綱塑性應(yīng)變率，為參考塑性應(yīng)變率，為實(shí)際應(yīng)變率；

T^*=(T?T_r)/(T_m—T_r)為無(wú)量綱溫度，T實(shí)際溫度，T_r為參考溫度（室溫），T_m為材料的熔點(diǎn)；式中A，B，C，n，m為5個(gè)待定系數(shù)。

傳統(tǒng)人工測(cè)定J-C本構(gòu)方程參數(shù)的方法是根據(jù)各參數(shù)在方程中的表現(xiàn)形式設(shè)計(jì)一系列不同實(shí)驗(yàn)條件（不同應(yīng)變率，不同溫度）實(shí)驗(yàn)，通過(guò)各參數(shù)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線經(jīng)過(guò)線性擬合，逐一測(cè)定，該方法忽略了各參數(shù)之間的耦合作用，不一定是全局最優(yōu)解，且人為影響因素較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

全局優(yōu)化算法是求解非線性函數(shù)的有效方法，是將函數(shù)值設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，自變量設(shè)為優(yōu)化變量，通過(guò)優(yōu)化自變量，可求得函數(shù)的全局極值。聚類全局優(yōu)化算法將所有參與搜索的點(diǎn)只計(jì)算一遍，這將大大減小了計(jì)算時(shí)間，并增加了找到全局極小值的概率。在高度非線性、計(jì)算量大、模型的復(fù)雜問(wèn)題中，該算法的優(yōu)點(diǎn)將更加凸顯。

聚類全局優(yōu)化算法優(yōu)化計(jì)算過(guò)程如圖1所示：

（1）將均勻分布在最初x維空間的k個(gè)點(diǎn)添加到當(dāng)前采樣的坐標(biāo)系中。在當(dāng)前的坐標(biāo)系中所選擇的k個(gè)點(diǎn)中有只有p個(gè)點(diǎn)使優(yōu)化問(wèn)題的評(píng)價(jià)函數(shù)最優(yōu)；

（2）對(duì)這些p點(diǎn)應(yīng)用聚類程序進(jìn)行聚類分析。如果所有的點(diǎn)都屬于上述集群，則轉(zhuǎn)到步驟（4）。否則將p設(shè)成是未聚類點(diǎn)的數(shù)量；

（3）將局部搜索程序應(yīng)用到這些p點(diǎn)。如果找到一個(gè)新的局部極小值，則轉(zhuǎn)到步驟（1），在局部最小周圍鄰域的k個(gè)點(diǎn)作為新的啟動(dòng)點(diǎn)；

（4）在所有局部極小值中找到全局最小值，優(yōu)化過(guò)程結(jié)束。

目前，還沒(méi)有利用聚類全局優(yōu)化算法來(lái)確定J-C本構(gòu)方程參數(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于聚類全局優(yōu)化算法預(yù)測(cè)材料力學(xué)行為的方法，該方法能夠準(zhǔn)確、自動(dòng)、快速、低成本地測(cè)定可靠的J-C本構(gòu)方程參數(shù)，并基于J-C本構(gòu)方程預(yù)測(cè)出材料力學(xué)行為。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：