[發明專利]一種增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預測方法

有效

• 申請號: 202011176362.8
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112347574B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 張凱;劉建林
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙) 37104
• 代理人: 張世功

1.一種增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立能描述增材制造金屬材料的各向異性和非對稱硬化行為的彈塑性模型；

S2、在彈塑性模型的基礎上，構建宏觀彈塑性行為與延性損傷的強耦合關系，建立增材制造金屬材料的全耦合彈塑性損傷模型；

S3、基于全耦合的彈塑性損傷模型預測增材制造金屬材料在不同加載路徑下的彈塑性行為和損傷失效行為；

進一步地：所描述S1的具體步驟為：

S11、研究增材制造后金屬材料的微觀組織特征，通過基礎表征實驗研究宏觀各向異性行為；

S12、基于非線性屈服準則描述正交各向異性的基礎上，引入第三應力不變量來同時描述拉伸和壓縮狀態時屈服應力的各向異性，建立描述屈服應力各向異性的屈服方程；

S13、使用等向硬化和隨動硬化來描述增材制造金屬材料的強化階段的力學行為；在控制硬化的參數中引入羅德角系數，使其控制在拉伸和壓縮加載時的硬化速率，建立非對稱性硬化模型；

進一步地：所描述S2的具體步驟為：

S21、通過引入微裂紋閉合效應減慢損傷在壓縮狀態下累積速率，從而描述材料在拉伸和壓縮狀態下不同的損傷行為；

S22、在引入微裂紋閉合效應的基礎上，在損傷演化中引入羅德角系數的影響，建立基于加載路徑的損傷累積速率模型；

S23、基于總能量等效的原理，建立損傷與應力應變及硬化的全耦合關系，從而使損傷影響彈塑性行為，建立全耦合彈塑性損傷模型；

進一步地：所描述S3的具體步驟為：

S31、將所建立的模型通過回退映射的數值算法求解，編制VUMAT用戶子程序；

S32、確定參數標定的實驗方案，標定出全耦合彈塑性損傷模型中的材料參數；

S33、開展增材制造金屬材料在不同加載路徑下的有限元數值模擬；

所述步驟S31中，有限元位移場的計算采用動態顯示算法；內部狀態變量采用完全隱式的本構積分過程，建立彈性預測-塑形修正的基本數值算法框架，通過返回算法使得更新后的廣義應力等保持在屈服面上；通過牛頓拉夫遜算法計算彈塑性損傷模型中所有柯西應力、等向硬化、隨動硬化、損傷的非線性增量，當屈服方程小于零時，彈性試應力位于屈服面內，該應變增量為全彈性并不產生新的塑性變形，則損傷在第n步的值即為最終的損傷值，否則，需通過塑性修正過程更新廣義應力和內變量；

所述步驟S32中，彈性參數、各向異性參數、硬化參數和損傷參數分步進行標定；

所述步驟S33中，開展拉伸、壓縮和剪切路徑下彈塑性行為和損傷失效的數值模擬，預測增材制造金屬材料的屈服面、不同加載路徑的應力應變曲線、損傷累積及失效應變軌跡。

2.根據權利要求1所述的增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預測方法，其特征在于

所述步驟S12中建立的描述屈服應力各向異性的屈服模型為：

上式中，f為屈服準則，σ為柯西應力，X表示隨動硬化的應力，σ_y為屈服應力，R為等向硬化的應力，||σ-X||_J2為第二應力不變量表示的屈服應力，||σ-X||_J3為第三應力不變量表示的屈服應力；

所述步驟S13中描述隨動硬化和等向硬化應力的計算模型為：

R＝Qr，

上式中，C為控制隨動硬化的參數，α是隨動硬化的應變，Q為控制等向硬化的參數，r為等向硬化的應變；

為描述非對稱硬化，分別在Q和C中引入羅德角系數建立非對稱性硬化模型為：

式中，Q₁和Q₂為等向硬化參數，C₁和C₂為隨動硬化參數，tanh為雙曲正切函數。

3.根據權利要求1所述的增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預測方法，其特征在于所述步驟S21中所引入的微裂紋閉合效應的計算模型為：

其中，η表示應力三軸度，h_v是調節η的參數，tanh是雙曲正切函數，h_c取值范圍從0到1，h_c＝0表示微裂紋全部閉合，此時減慢損傷在壓縮狀態下累積速率的效應最大，h_c＝1表示沒有微裂紋閉合效應，不會減慢損傷在壓縮路徑下的累積速率；

進一步地：所述步驟S22中基于加載路徑的損傷累積速率模型為：

上式中，為損傷累積速率，為塑性乘子，Y表示損傷能量釋放率，h為微裂紋閉合效應參數，k,S_s和S_t為損傷參數；

進一步地：所述步驟S23中全耦合關系的模型為：

柯西應力與損傷耦合：σ＝(1-hd)λ_etr(ε^e)1+2μ_e(1-hd)ε^e，

隨動硬化與損傷耦合：

等向硬化與損傷耦合：R＝(1-hd)Qr，

耦合損傷的屈服方程：

上式中，(ε^e,σ)表示彈性應變和柯西應力，(α,X)表示隨動硬化的應變和應力，(r,R)表示等向硬化的應變和應力，d是表征損傷的因子，取值范圍從0到1；當d＝0是表示無損傷，當d＝1是表示材料已經完全損傷失效。