[发明专利]一种测定材料超高应变速率下本构模型参数的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表征、测试和数值分析技术领域，具体涉及一种测定材料超高应变速率下本构模型参数的方法。

背景技术

材料拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下，测定材料特性的试验，从中得到较低应变速率条件下的应力应变曲线。霍普金森压杆试验是一种基于一维应力波理论、利用高速撞击的方式获取材料在高应变速率下动态力学响应曲线的方法。表面轮廓仪是通过仪器的触针与材料表面的滑移进行测量，从而得到材料表面形貌。X射线应力测定是指X射线衍射仪发射一定波长的单色X射线束到材料表面，根据材料衍射时的布拉格衍射定律，测定材料或构件表面一定范围和深度内的残余应力。

激光冲击强化是一种采用短脉冲（ns级）、高峰值功率密度（GW/cm²级）的激光辐照金属表面，使金属表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，产生高压的等离子冲击波，利用冲击波的力学效应使材料在冲击波作用下发生超高应变速率（10⁶s^-1）动态响应，使表层材料微观组织发生细化并形成高数值残余压应力，从而有效提高材料的抗疲劳、抗腐蚀和抗磨损等性能。常温下激光冲击后的高数值残余压应力对材料性能的提高起着决定性作用，因此通过数值预测材料激光冲击后的残余应力分布，可以优化激光冲击强化工艺方案，更加直接有效地提高材料的性能。

本构模型参数的准确性是表征材料在不同应变速率条件下力学响应特性的关键。由于激光冲击强化过程中超高应变速率的特点造成现有测试手段无法直接获得超高应变速率下材料单向应力应变关系，难于获得材料在超高应变速率下的本构模型参数，进而无法准确表征超高应变速率下材料的应力应变关系，造成现有常用率相关本构模型参数下残余应力预测的误差，无法准确预测激光冲击强化后的残余应力场分布，因此需要一种测定适合于超高应变速率下的本构模型参数的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定材料超高应变速率下本构模型参数的方法，该方法能够通过不同应变速率下材料的力学性能测试，获得材料在不同应变速率条件下的力学性能结果，再通过反向优化获得材料在超高应变速率下的本构模型参数。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测定材料超高应变速率下本构模型参数的方法，包括以下步骤：

1）根据待测材料的基本力学性能参数及现有本构模型参数，给待测材料赋予初始值A₀，对待测材料进行拉伸试验，获得材料在低应变速率下的应力应变曲线；对待测材料进行霍普金森压杆试验，获得材料在高应变速率下的应力应变曲线；

2）将待测材料进行拉伸试验得到的应力应变曲线设为优化目标1，将待测材料进行霍普金森压杆试验得到的应力应变曲线设为优化目标2，并根据优化目标1和优化目标2，反向优化出符合低、高应变速率下应力应变曲线的本构模型参数A₁；

3）将A₁作为激光冲击强化数值模拟的初始参数，并将激光冲击强化试验参数作为数值计算的边界条件，进行相应的激光冲击强化数值模拟，计算得到残余应力空间模拟结果和表面形变模拟结果，并根据X射线衍射应力测定的空间范围，对数值模拟的残余应力值进行空间统计；

4）对待测材料进行X射线应力测定试验，得到材料在激光冲击强化后的残余应力值作为优化目标3，对待测材料进行表面形貌测试试验，得到材料在激光冲击强化后的表面形变量作为优化目标4，并将优化目标3和优化目标4作为超高应变速率下的优化目标，对步骤3）所述的激光冲击强化数值模拟计算得到的残余应力空间模拟结果和表面形变模拟结果进行反向优化，最后优化出本构模型的最后参数A₂,即得到材料在超高应变速率下的本构模型参数。

步骤2）、4）所述的反向优化是通过对比现有本构模型参数下数值计算结果与实际测量结果，再利用基于最小二乘逼近法的MATLAB反向优化工具对本构模型参数进行反复插值、迭代，直至达到最小二乘算法的停止条件，从而优化出符合实际力学性能的材料本构模型参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：