Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法技术

本发明专利技术提供了一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法，包括以下步骤：步骤1）建立材料的Chaboche粘塑性本构模型；步骤2）根据实验获得的应力应变数据，运用Ramberg‑Osgood方程，快速获取Chaboche本构模型的材料参数初值；步骤3）利用遗传算法优化Chaboche模型的材料参数。本发明专利技术通过Ramberg‑Osgood方程，基于自编程序快速获取了Chaboche本构模型的材料参数，导入遗传算法，得出优化参数，通过试验验证取得较好的优化效果。

Material parameter acquisition and optimization method of chaboche viscoplastic constitutive model

【技术实现步骤摘要】
Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法
本专利技术属于航空航天高温材料强度
，具体涉及一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法。
技术介绍
用于高温机构强度分析的本构模型不仅能考虑温度的影响，而且能合理地描述循环载荷下的各种非弹性变形，如循环硬化，循环软化，非线性运动硬化，蠕变，松弛和恢复效应等。Chaboche粘塑性本构模型已经被证实能够考虑温度和时间的影响，合理地描述循环载荷作用下的各种材料非弹性变形。要将Chaboche模型应用于实际分析中，必须要有相应的有限元计算方法和程序，并且要合理的确定模型参数。而该模型中含有大量待定参数，由于这些高度非线性的数学表达式能够描述一些比较复杂的材料力学行为响应，其对参数的积分算法具有一定的敏感性。因此Chaboche粘塑性本构模型中参数的确定方法值得研究。
技术实现思路
专利技术目的：Chaboche粘塑性本构模型可用于预测材料应力-应变响应，其前提条件是模型参数已知。本专利技术提出一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法，得到较为精确的模型参数，为后续疲劳寿命的估计提供依据。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法，包括以下步骤：步骤1)建立材料的Chaboche粘塑性本构模型；步骤2)基于Ramberg-Osgood方程，获取Chaboche模型初始参数；步骤3)利用遗传算法优化Chaboche模型参数。所述步骤1)中的具体步骤如下：步骤1.1)，Chaboche粘塑性本构模型由流动法则，运动方程与内变量演化方程三部分组成；流动法则为：流动法则与VonMises屈服函数相关，屈服函数F的表达式为：F＝F(σij,Vk)＝J2(σij-Xij)-k0-R式中：Vk表示内变量张量，Xij表示运动硬化内变量张量，R表示各向同性变量，Vk包括运动硬化内变量张量Xij与各向同性变量R，k0表示初始屈服应力，σij表示应力张量，J2表示有效应力偏量第二不变量，物理意义上表示括号内张量的等效形式，其大小表示为：式中，σ′ij和X′ij分别表示应力张量σij和运动硬化内变量张量Xij的偏量形式；非弹性应变率方程：其中：表示非弹性应变率张量，Λ表示为屈服函数的函数；将屈服函数带入即可得到非弹性应变率方程：运动方程为：将Λ表示为屈服函数的一个幂函数：式中：K和n为描述运动方程的幂函数的参数，仅与温度大小有关，将其带入非弹性应变率方程：内变量演化方程为：运动硬化内变量利用Armstrong－Frederick方程表示为：式中：表示运动硬化内变量张量演化速率，c、a均表示材料常数，c表示控制硬化变量的倾斜程度，a表示控制硬化变量的最大值，表示累积塑性应变率；各向同性硬化方程：式中，表示各向同性硬化内变量演化速率，b表示应力下降的速度，Q表示应力下降的幅值；步骤1.2)，在多轴本构模型的基础上，将三维应力应变问题简化为一维应力应变问题，使用两个分量描述材料的硬化行为，把Chaboche粘塑性模型描写为下述的一系列方程：式中，表示非弹性应变率，σ表示应力，X表示运动硬化参量，且X＝X1+X2，X1表示第一个运动硬化参量，X2表示第二个运动硬化参量；表示运动硬化参量的演化速率，与分别表示第一个与第二个运动硬化参量的演化速率；其中，a1与c1分别表示X1对应的a与c，a2与c2分别表示X2对应的a与c；对于不同材料的力学特性，模型中需要的硬化分量个数不同，一般情况下，只需两个分量即可描述材料的硬化行为；因此需要拟合的参数有K、n、k0、a1、c1、a2、c2、b、Q；其中，K、n是描述运动方程的幂函数的参数，对于各向同性材料来说，还有弹性模量E和泊松比μ；单轴情况下，泊松比μ不需要考虑；在获得参数初值时，需要建立以下假设：(1)各向同性标量R描述循环硬化，单调拉伸曲线暂不考虑；(2)运动硬化参量X1和X2分别表达短程和长程范围内的应力应变曲线，即X1影响塑性应变小于0.1％时的应力大小，X2始终影响应力大小；具体地讲：短程与长程范围与后文的大小塑性应变一致，均是以某一个塑性应变值作为分界，将非弹性段分为两部分，但对不同材料这一分界值取值不同，在本专利中以GH4169为例，塑性应变取0.1％；短程和长程代表应力应变关系中不同变化率的两个区域，以不同的塑性应变值划分，本专利中可取为0.1％。得到应力σ与其它参数的关系：σ＝X1+X2+k0+R+σv式中：σv表示粘应力，且即上式中的应力剩余值。所述步骤2)中的具体步骤如下：步骤2.1)，读取材料应力-应变数据，使用Ramberg-Osgood方程进行数据拟合，弹性模量E与初始屈服应力k0通过循环应力应变曲线的前1/4循环的应力应变线性关系得到；步骤2.2)，根据内变量演化方程，得出塑性应变与应力的关系，依次拟合c2和a2、c1和a1值，最后拟合K，n；当塑性应变较大时，且在不考虑循环硬化(软化)的情况下，由于粘应力项与塑性应变无关，X1在大塑性应变状态下认为是一个常数，利用大塑性应变状态时应力的斜率(本文取当塑性应变达到0.1％时)，此时应力变化只与X2相关，将应力与各参数的关系式对塑性应变求导后，并取对数，得到：通过曲线拟合得到a2、c2；式中，σ表示应力，εp表示非弹性应变。在小塑性应变情况下，即塑性应变小于0.1％时，设σX＝σ-X2，代表应力除去X2部分得到在小塑性应变状态下的应力变化情况：通过曲线拟合得到a1、c1；在不确定时间与塑性应变的关系时，可以利用以下方法确定K和n的值：在大应变情况时，弹性应变增量几乎为零，应变全部转化为塑性应变，此时应力不再增长，K值表示剩余应力最大值，n表示σv在到达K之前的变化情况，通过拟合得到的a1、c1、a2、c2可以确定K值的大小；由于率相关参数比较难以测得，且与加载时长相关，因此首先假定一个范围，最后利用参数整体优化得到最优解。在正向加载过程中塑性应变率总是小于总应变率，可以求出n值的范围；关于K、n是描述屈服函数的函数的材料参数，由杨晓光，石多奇编著的2013年国防工业出版社出版的《粘塑性本构理论及其应用》的图书中有所记载，K、n没有实际意义，是为拟合出非弹性应变率与应力、内变量的关系而构建的幂函数形式，该图书第22页有具体记载内容。步骤2.3)，各向同性变量R的表达式为：R＝Q(1-e-bp)通过对每次循环的最大应力差σR和累积塑性应变p来预估Q和b的大小，其中：所述步骤3)中的具体步骤如下：步骤3.1)，在步骤2)所得到的初始参数基础上，确定待优化参数的域值；步骤3.2)，将实验得到的应力-应变数据导入到遗传算法程序中，Qc为Chaboche模型计算的理论应力值σth与实际应力值σexpl的差的绝对值，选择的目标函数∑Qc为Chaboche模型计算的理论应力值σth与实际应力值σexpl的差的绝对值之和，具体表达式如下：∑Qc＝∑|σexpl-σth|步骤3.3)，开始优化，得到遗传算法优化后的Chaboche模型参数。步骤3.1)，在步骤2)所得到的初始参数基础上，确定待优化参数的域值；步骤3.2)，将实验得到的应力-应变数据导入到遗传算法程序中，Qc为Chaboch本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)建立材料的Chaboche粘塑性本构模型；步骤2)基于Ramberg‑Osgood方程，获取Chaboche模型初始参数；步骤3)利用遗传算法优化Chaboche模型参数。

【技术特征摘要】
1.一种Chaboche粘塑性本构模型材料参数获取与优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)建立材料的Chaboche粘塑性本构模型；步骤2)基于Ramberg-Osgood方程，获取Chaboche模型初始参数；步骤3)利用遗传算法优化Chaboche模型参数。2.根据权利要求1所述的Chaboche粘塑性模型材料参数获取与优化方法，其特征在于：所述步骤1)中的具体步骤如下：步骤1.1)，Chaboche粘塑性本构模型由流动法则，运动方程与内变量演化方程三部分组成；流动法则为：流动法则与VonMises屈服函数相关，屈服函数F的表达式为：F＝F(σij,Vk)＝J2(σij-Xij)-k0-R式中：Vk表示内变量张量，Xij表示运动硬化内变量张量，R表示各向同性变量，Vk包括运动硬化内变量张量Xij与各向同性变量R，k0表示初始屈服应力，σij表示应力张量，J2表示有效应力偏量第二不变量，物理意义上表示括号内张量的等效形式，其大小表示为：式中，σ′ij和X′ij分别表示应力张量σij和运动硬化内变量张量Xij的偏量形式；非弹性应变率方程：其中：表示非弹性应变率张量，Λ表示为屈服函数的函数；将屈服函数带入即可得到非弹性应变率方程：运动方程为：将Λ表示为屈服函数的一个幂函数：式中：K和n为描述运动方程的幂函数的参数，仅与温度大小有关，将其带入非弹性应变率方程：内变量演化方程为：运动硬化内变量利用Armstrong－Frederick方程表示为：式中：表示运动硬化内变量张量演化速率，c、a均表示材料常数，c表示控制硬化变量的倾斜程度，a表示控制硬化变量的最大值，表示累积塑性应变率；各向同性硬化方程：式中，表示各向同性硬化内变量演化速率，b表示应力下降的速度，Q表示应力下降的幅值；步骤1.2)，在多轴本构模型的基础上，将三维应力应变问题简化为一维应力应变问题，使用两个分量描述材料的硬化行为，把Chaboche粘塑性模型描写为下述的一系列方程：式中，表示非弹性应变率，σ表示应力，X表示运动硬化参量，且X＝X1+X2，X1表示第一个运动硬化参量，X2表示第二个运动硬化参量；表示运动硬化参...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄红梅，刘飞龙，陈智，方磊，
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