一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法技术

本发明专利技术公开了一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，包括以下步骤：通过光滑试件获取镍基单晶材料[001]向工程应力‑工程应变曲线，并将其转化为[001]向真应力‑真应变曲线；建立[001]向双线性本构模型；建立三种缺口试件的有限元模型；选用广义Hill材料模型，定义各方向材料参数都为[001]向的参数；进行计算，完成后导出端面处的载荷‑位移曲线，与前述步骤计算命令流；建立ansys批处理程序，将批处理程序、载荷‑位移曲线、计算命令流导入isight软件；在isight软件中优化，获得非[001]向材料参数。本发明专利技术提高了材料数据库建立效率，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法
本专利技术涉及一种获取镍基单晶高温合金各向异性材料参数的反衍优化方法,属于高温合金材料力学性能领域。
技术介绍
镍基单晶高温合金具有良好的高温性能，广泛的用于高性能航空发动机。如今，为满足提高发动机推重比的需求，具有良好高温综合性能的镍基单晶高温合金大量应用于制造涡轮叶片。然而镍基单晶合金材料具有宏观各向异性的特点，只有确定了其各向异性材料参数才能对镍基单晶材料的塑性变形行为进行有效分析预测，从而进行实际构件的设计分析。因此，寻求一种确定镍基单晶材料各向异性材料参数的方法具有重要意义。鉴于镍基单晶高温合金宏观各向异性的性能特征，采用传统的光滑试件拉伸试验需要制备多种取向的试样，十分繁琐，且成本高昂。建立一种只需要[001]取向的试件便可获取镍基单晶高温合金各向异性材料参数的方法是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，以节约获取镍基单晶高温合金各向异性材料参数的试验成本，提高效率。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，包括以下步骤：(1)通过光滑试件获取镍基单晶材料[001]向工程应力-工程应变曲线，并将其转化为[001]向真应力-真应变曲线；(2)基于步骤(1)得到的[001]向真应力-真应变曲线，将该曲线分为弹性段与塑性段两部分，通过origin软件采用线性拟合的方式建立[001]向双线性本构模型；(3)通过ansys软件建立三种具有不同类型缺口的缺口试件的有限元模型，而后对有限元模型进行划分网格；(4)在ansys软件中选用广义Hill材料模型，定义各方向材料参数都为步骤(1)所述的镍基单晶材料[001]向的参数；(5)在缺口试样的有限元模型一端设置所有方向位移为0的约束，在另一端设置轴向位移1mm的约束，采用大变形有限元法进行计算，完成后导出端面处的载荷-位移曲线；(6)导出前述步骤(4)～(5)的计算命令流，建立ansys批处理程序，将三种缺口模型的批处理程序、载荷-位移曲线、计算命令流导入isight软件；(7)在isight软件中设定优化变量为除[001]方向外其它方向材料参数，优化方法选择Hooke-Jeeves，优化目标为三种缺口试件预测载荷-位移曲线与试验载荷-位移曲线的残差最小化，优化结束便可获得非[001]向材料参数。所述步骤(1)中，光滑试件通过拉伸试验获得镍基单晶材料[001]向工程应力-应变曲线(σE-εE)，选取最高点前的曲线，由如下变换公式转化为真应力-应变曲线(σT-εT)；上式中，σE表示工程应力，εE表示工程应变，σT表示真应力，εT表示真应变。所述步骤(3)中，缺口试件的有限元模型在缺口附近处的网格密度大于其它部位。所述步骤(4)中，剪切方向屈服应力设定为[001]向屈服应力的倍。所述步骤(7)中，通过excel表格进行残差运算。有益效果：本专利技术有效的解决了镍基单晶高温合金各向异性材料参数性能获取过程复杂，成本高昂的问题，仅通过[001]方向的光滑拉伸及缺口拉伸试验便可获取单晶材料各向异性材料参数，提高了材料数据库建立效率，降低了成本。附图说明图1a为缺口试件np-r2.5设计图纸；图1b为缺口试件np-r2.5实物图；图2a为缺口试件np-r6设计图纸与实物图；图2b为缺口试件np-r6实物图；图3a和3b为缺口试件np-sn设计图纸与实物图；图3c为缺口试件np-sn实物图；图4为三种缺口试件有限元模型；图5为缺口试件np-r2.5拉伸响应预测曲线与试验结果对比；图6为缺口试件np-r6拉伸响应预测曲线与试验结果对比；图7为缺口试件np-sn拉伸响应预测曲线与试验结果对比；具体实施方式本专利技术的一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，包括以下步骤：(1)通过光滑试件获取镍基单晶材料[001]向工程应力-工程应变曲线，并将其转化为[001]向真应力-真应变曲线；其中，光滑试件通过拉伸试验获得镍基单晶材料[001]向工程应力-应变曲线(σE-εE)，选取最高点前的曲线，由如下变换公式转化为真应力-应变曲线(σT-εT)；上式中，σE表示工程应力，εE表示工程应变，σT表示真应力，εT表示真应变；(2)基于步骤(1)得到的[001]向真应力-真应变曲线，将该曲线分为弹性段与塑性段两部分，通过origin软件采用线性拟合的方式建立[001]向双线性本构模型；(3)通过ansys软件建立三种具有不同类型缺口的缺口试件np-r2.5、np-r6、np-sn的有限元模型，三种试件np-r2.5、np-r6、np-sn的设计图与实物图如图1a-图3c所示，而后对有限元模型进行划分网格；三种缺口试件有限元模型如图4所示；缺口试件缺口根部处于复杂应力状态，其拉伸试验反应了单晶材料在多方向力学性能，可从中提取出各向异性材料性能参数，这即是反衍优化本质；其中，缺口试件的有限元模型在缺口附近处的网格密度大于其它部位，即有限元模型在缺口附近网格进行加密，其它部位可用较粗网格；(4)在ansys软件中选用广义Hill材料模型，定义各方向材料参数都为步骤(1)所述的镍基单晶材料[001]向的参数；其中，剪切方向屈服应力设定为[001]向屈服应力的倍。(5)在缺口试样的有限元模型一端设置所有方向位移为0的约束，在另一端设置轴向位移1mm的约束，采用大变形有限元法进行计算，完成后导出端面处的载荷-位移曲线；(6)导出前述步骤(4)～(5)计算命令流，建立ansys批处理程序，将三种缺口模型的批处理程序、载荷-位移曲线、计算命令流导入isight软件；(7)在isight软件中设定优化变量为除[001]方向外其它方向材料参数，优化方法选择Hooke-Jeeves，优化目标为三种缺口试件预测载荷-位移曲线与试验载荷-位移曲线的残差最小化，优化结束便可获得非[001]向材料参数；其中，通过excel表格进行残差运算。实施例本专利技术通过光滑拉伸试验及反衍法获取了某镍基单晶高温合金各向异性材料参数，并以此对图1-图3的三种缺口试件塑性变形响应进行预测，步骤如下：(1)对[001]取向的镍基单晶高温合金光滑试件进行室温拉伸试验，获取工程应力-工程应变曲线，并转换为真应力-真应变曲线；(2)基于[001]向真应力-真应变曲线构件双线性本构模型；(3)使用ansys软件进行缺口试件有限元建模，缺口处细化网格如图4所示；(4)在ansys软件中定义广义Hill材料模型，使所有方向材料参数与[001]向相同；(5)在缺口试样有限元模型一端设置所有方向位移为0的约束，在另一端设置轴向位移1mm的约束，进行计算，完成后导出端面载荷-位移曲线，与前述步骤命令流；(6)建立ansys批处理程序，将3种缺口模型的批处理程序、载荷-位移曲线、计算命令流导入isight软件；(7)在isight中设定优化变量为除[001]方向外其它方向材料参数，优化方法选择Hooke-Jeeves，优化目标为3种缺口试件预测载荷-位移曲线与试验载荷-位移曲线的残差最小化，优化结束便可获得非[001]向材料参数；(8)基于反衍法及光滑拉伸试验获取的材料参数，对3种缺口试件的塑性变形响应进行计算，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过光滑试件获取镍基单晶材料[001]向工程应力‑工程应变曲线，并将其转化为[001]向真应力‑真应变曲线；(2)基于步骤(1)得到的[001]向真应力‑真应变曲线，将该曲线分为弹性段与塑性段两部分，通过origin软件采用线性拟合的方式建立[001]向双线性本构模型；(3)通过ansys软件建立三种具有不同类型缺口的缺口试件的有限元模型，而后对有限元模型进行划分网格；(4)在ansys软件中选用广义Hill材料模型，定义各方向材料参数都为步骤(1)所述的镍基单晶材料[001]向的参数；(5)在缺口试样的有限元模型一端设置所有方向位移为0的约束，在另一端设置轴向位移1mm的约束，采用大变形有限元法进行计算，完成后导出端面处的载荷‑位移曲线；(6)导出前述步骤(4)～(5)的计算命令流，建立ansys批处理程序，将三种缺口模型的批处理程序、载荷‑位移曲线、计算命令流导入isight软件；(7)在isight软件中设定优化变量为除[001]方向外其它方向材料参数，优化方法选择Hooke‑Jeeves，优化目标为三种缺口试件预测载荷‑位移曲线与试验载荷‑位移曲线的残差最小化，优化结束便可获得非[001]向材料参数。...

【技术特征摘要】
1.一种获取镍基单晶各向异性材料参数的反衍方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过光滑试件获取镍基单晶材料[001]向工程应力-工程应变曲线，并将其转化为[001]向真应力-真应变曲线；(2)基于步骤(1)得到的[001]向真应力-真应变曲线，将该曲线分为弹性段与塑性段两部分，通过origin软件采用线性拟合的方式建立[001]向双线性本构模型；(3)通过ansys软件建立三种具有不同类型缺口的缺口试件的有限元模型，而后对有限元模型进行划分网格；(4)在ansys软件中选用广义Hill材料模型，定义各方向材料参数都为步骤(1)所述的镍基单晶材料[001]向的参数；(5)在缺口试样的有限元模型一端设置所有方向位移为0的约束，在另一端设置轴向位移1mm的约束，采用大变形有限元法进行计算，完成后导出端面处的载荷-位移曲线；(6)导出前述步骤(4)～(5)的计算命令流，建立ansys批处理程序，将三种缺口模型的批处理程序、载荷-位移曲线、计算命令流导入isight软件；(7)在isight软件中设定优化变量为除[0...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋迎东，李林骏，胡绪腾，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32