[發(fā)明專利]基于聚類全局優(yōu)化算法預測材料力學行為的方法

有效

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• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103853927B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高麗紅;王揚衛(wèi);范群波;王富恥;馬壯;黃志鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安,李愛英

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

高速沖擊下材料動態(tài)力學行為研究對材料在沖擊環(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)。預測并掌握高應(yīng)變率下材料動態(tài)力學行為及其變形機制，可為高性能材料的設(shè)計與制備提供實驗和理論依據(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)是一切動態(tài)力學數(shù)值模擬的前提，因此準確的材料本構(gòu)方程參數(shù)對動態(tài)力學研究至關(guān)重要。J-C本構(gòu)模型是由Johnson和Cook于1983年針對金屬材料在大變形、高應(yīng)變速率和高溫條件下的流變行為提出的一種經(jīng)驗模型，雖然模型也存在一些問題，但由于其形式簡單，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，在許多動力學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；為無量綱塑性應(yīng)變率，為參考塑性應(yīng)變率，為實際應(yīng)變率；

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

傳統(tǒng)人工測定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)計一系列不同實驗條件（不同應(yīng)變率，不同溫度）實驗，通過各參數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線經(jīng)過線性擬合，逐一測定，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，費時費力。

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)為目標函數(shù)，自變量設(shè)為優(yōu)化變量，通過優(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只計算一遍，這將大大減小了計算時間，并增加了找到全局極小值的概率。在高度非線性、計算量大、模型的復雜問題中，該算法的優(yōu)點將更加凸顯。

聚類全局優(yōu)化算法優(yōu)化計算過程如圖1所示：

（1）將均勻分布在最初x維空間的k個點添加到當前采樣的坐標系中。在當前的坐標系中所選擇的k個點中有只有p個點使優(yōu)化問題的評價函數(shù)最優(yōu)；

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

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

（4）在所有局部極小值中找到全局最小值，優(yōu)化過程結(jié)束。

目前，還沒有利用聚類全局優(yōu)化算法來確定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)化算法預測材料力學行為的方法，該方法能夠準確、自動、快速、低成本地測定可靠的J-C本構(gòu)方程參數(shù)，并基于J-C本構(gòu)方程預測出材料力學行為。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：