[發(fā)明專利]一種增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011176362.8
• 申請(qǐng)日: 2020-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN112347574B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張凱;劉建林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙) 37104
• 代理人: 張世功

本發(fā)明公開了一種增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明首先建立了考慮了各向異性和非對(duì)稱硬化的彈塑性模型，并在此基礎(chǔ)上與延性損傷行為進(jìn)行強(qiáng)耦合，從而進(jìn)行不同加載路徑下增材制造金屬材料損傷失效的預(yù)測(cè)，探索增材制造金屬材料及其構(gòu)件力學(xué)性能評(píng)估的有效方法，為增材制造的零部件產(chǎn)品性能評(píng)估提供理論指導(dǎo)和加工工藝優(yōu)化的依據(jù)。分別研究增材制造金屬材料復(fù)雜的力學(xué)行為，進(jìn)一步研究復(fù)雜塑性行為與損傷失效的關(guān)系；將該模型通過編寫了VUMAT子程序方法實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算，同時(shí)給出了參數(shù)標(biāo)定的具體方案；基于標(biāo)定的參數(shù)預(yù)測(cè)不同加載路徑下彈塑性行為和損傷失效的發(fā)生。本發(fā)明方法基于全耦合彈塑性損傷模型進(jìn)行增材制造金屬材料的數(shù)值模擬與損傷失效預(yù)測(cè)，是一種可靠高效的計(jì)算模型與方法，相關(guān)模型的建立具有重要的科學(xué)創(chuàng)新性和工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料加工領(lǐng)域，具體涉及一種增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

增材制造是一種三維實(shí)體快速自由成形的新型制造技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的制造方法，增材制造技術(shù)增加了設(shè)計(jì)的自由度，可制造出具有復(fù)雜幾何構(gòu)形且性能優(yōu)異的零部件產(chǎn)品，因此在航空航天、機(jī)械制造等工業(yè)中已有大量應(yīng)用。由于增材制造金屬零部件制造過程的特殊性和服役工況的復(fù)雜性，極易造成在工程應(yīng)用中發(fā)生損傷斷裂失效。目前，對(duì)于增材制造金屬材料彈塑性行為及損傷失效行為的預(yù)測(cè)缺乏可靠的模型與方法，由于增材制造金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、受力狀態(tài)的復(fù)雜性及增材制造構(gòu)件幾何形狀復(fù)雜性三個(gè)方面的原因，使描述其損傷失效行為變得十分困難。其中，加工過程中極高的冷卻速率和多種熱處理工藝導(dǎo)致材料非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性行為，即屈服應(yīng)力的值在各個(gè)方向上不一致；同時(shí)在塑性大變形過程中還表現(xiàn)出非對(duì)稱性硬化行為，即拉伸和壓縮時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的演化不一致。因此，基于增材制造金屬材料復(fù)雜力學(xué)行為建立彈塑性與損傷全耦合本構(gòu)模型并進(jìn)行彈塑性損傷失效的預(yù)測(cè)將具有很好的工程應(yīng)用前景和創(chuàng)新性。

目前為止，關(guān)于增材制造金屬材料彈塑性損傷行為的預(yù)測(cè)主要是基于微觀晶體塑性模型和唯象宏觀模型兩種。微觀模型可以精確地模擬增材制造金屬材料微觀組織的演化，但在實(shí)際的模擬計(jì)算過程中，單元數(shù)量的激增導(dǎo)致了計(jì)算效率低和模擬計(jì)算的成本高。由于增材制造零部件大多為傳統(tǒng)加工方法無(wú)法制造的復(fù)雜構(gòu)形，因此以多晶塑性模型為代表的微觀模型很難滿足高效計(jì)算的要求。唯象宏觀本構(gòu)模型是基于材料宏觀力學(xué)響應(yīng)建立的本構(gòu)關(guān)系，一般是通過基礎(chǔ)力學(xué)表征實(shí)驗(yàn)確定材料屬性，利用函數(shù)擬合宏觀力學(xué)響應(yīng)的曲線。這類模型中的方程形式相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在數(shù)值模擬時(shí)計(jì)算速度較快，在工業(yè)生產(chǎn)中受到特別青睞。但是現(xiàn)有的宏觀模型沒有考慮增材制造金屬材料復(fù)雜的力學(xué)行為，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增材制造金屬材料彈塑性損傷失效行為。由此來(lái)看，現(xiàn)有的唯象宏觀模型和微觀晶體塑性模型都具有很大的局限性，對(duì)于增材制造金屬材料彈塑性損傷失效的預(yù)測(cè)一直沒有既準(zhǔn)確又快速的方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法的各種局限之處，本發(fā)明提供的一種增材制造金屬材料彈塑性損傷行為預(yù)測(cè)方法解決了復(fù)雜構(gòu)型增材制造零部件數(shù)值計(jì)算中無(wú)法兼顧計(jì)算速度和計(jì)算精度的問題；本方法以增材制造金屬材料微觀變形機(jī)制的觀測(cè)和宏觀力學(xué)行為的表征為依據(jù)，綜合考慮各向異性屈服準(zhǔn)則和非對(duì)稱性硬化規(guī)律，基于不可逆熱力學(xué)框架下的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論，得出增材制造金屬材料的應(yīng)力與應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而建立彈塑性與延性損傷全耦合的本構(gòu)模型，同時(shí)在損傷演化中考慮羅德角和微裂紋閉合效應(yīng)來(lái)加載路徑對(duì)損傷失效的影響。所建立模型狀態(tài)變量的物理意義清晰，表達(dá)式唯一，能描述增材制造金屬材料從彈塑性階段到損傷失效整個(gè)變形過程，因此將具有很高的精確性。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明涉及的增材制造金屬材料的彈塑性損傷失效預(yù)測(cè)方法，該方法的具體步驟如下：

S1、建立能描述增材制造金屬材料的各向異性和非對(duì)稱硬化行為的彈塑性模型。

S2、在彈塑性模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建宏觀彈塑性行為與延性損傷的強(qiáng)耦合關(guān)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(yù)測(cè)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。