金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法技术

本发明专利技术提供一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，包括设计第一组试样和第二组试样；采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力‑塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力‑塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、归一化洛德角参数

Three dimensional fracture model of metal materials under complex stress state

【技术实现步骤摘要】
金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法
本专利技术属于汽车信息化领域，具体涉及一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法。
技术介绍
在金属材料断裂研究中，多是采用成形极限图和固定的临界断裂应变值去模拟金属材料的的断裂失效。然而，使用成形极限图来判断裂纹的产生情况时，裂纹区域过于保守，裂纹往往产生过早或过晚；且成形极限图只能用于预测材料在线性应变路径情况下的裂纹情况，实际过程中，材料在颈缩后，伴随着强烈的应变路径依赖性。而采用固定的临界断裂应变值来判断裂纹的产生情况时，没有考虑材料受力状态对临界断裂应变值的影响。显然，目前的断裂失效模拟方法没有同时考虑到不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，无法准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效。
技术实现思路
本专利技术提供一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，以解决目前断裂失效模拟方法没有同时考虑到不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，从而无法准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，包括：针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型；采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力-塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值；针对该第二组试样中的每种试样类型，将其应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数和临界断裂应变值代入对应的三维模型中，建立多元次方程组，计算得到三维断裂模型中的五个未知系数K、C、f、n，进而得到金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型。在一种可选的实现方式中，所述第一组试样包括多个试样，所述采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线包括：采用该非线性拉伸力对所述第一组试样中的各个试样进行准静态标准拉伸试验，以获得该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线；从该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线中选择居中的一条真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线。在另一种可选的实现方式中，所述第二组试样中的每种试样类型都包括多个该种类型的试样；所述采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值包括：针对所述第二组试样中每种试样类型，采用该非线性拉伸力对该种类型的多个试样进行对应断裂试验，获得对应试样个数的临界断裂应变值，求取该对应试样个数的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该第二组试样中该种试样类型的临界断裂应变值。在另一种可选的实现方式中，所述第二组试样包括纯剪切拉伸试验试样、中心孔单向拉伸试验试样、R5缺口拉伸试验试样、R10缺口拉伸试验试样和杯突试样五种试样类型，每种试样类型都包括多个该种类型的试样。在另一种可选的实现方式中，三维断裂模型的失效应变是应力三轴度与归一化洛德角的函数，如下所示式中，包含五个未知数，分别为K、C、f、n，需通过多组断裂试验进行标定；其中，通过应力三轴度η及归一化洛德角参数表征材料的受力状态，其值均在[-1，1]之间，计算式中如下应力三轴度：式中，p为静水压力，为Mises等效应力，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，I1为第一应力不变量，J2为第二应力偏量不变量；洛德角参数：式中，为Mises等效应力，J2、J3分别为第二、第三偏应力偏量不变量；归一化洛德角在所述三维断裂模型中，以损伤因子D判断材料的断裂失效，当D＝1时，发生断裂，其计算公式如下所示式中dεp为塑性应变积累量，为不同应力三轴度及归一化洛德角对应的断裂失效应变，损伤因子D的计算中，考虑了材料的非线性应变路径的损伤积累。在另一种可选的实现方式中，采用DIC设备进行实时应变测试，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用非线性拉伸力对第一组试样进行准静态标准拉伸试验，在获取第一组试样的真应力-塑形应变曲线时考虑到了非线性应变路径；在进行断裂试验时采用非线性拉伸力，并设计有多种类型的试样，考虑到了不同受力状态对断裂失效的影响；至此本专利技术考虑了不同受力状态和非线性应变路径对断裂失效的影响，可以准确模拟出金属材料在复杂应力状态下的断裂失效；2、本专利技术使第一组试样包括多个试样，采用相同的非线性拉伸力对该第一组试样中的多个试样重复进行准静态标准拉伸试验，在获得第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线后，从中选取居中的真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，可以使获得的第一组试样的真应力-塑形应变曲线更加准确地反映金属材料的变形；3、本专利技术在针对各种类型的试样进行断裂试验时，都是对多个该种类型的试样进行对应断裂试验(即针对该对应断裂试验重复进行多次试验)，求取多次重复试验获得的临界断裂应变值的平均值，将该平均值作为该种类型的试样的临界断裂应变值，由此可以进一步精确对应断裂试样(即对应受力状态)对断裂失效的影响。附图说明图1是本专利技术金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法的一个实施例方框图；图2是第一组试样中试样的结构示意图(单位mm)；图3是第二组试样中五种试样类型的结构示意图(单位mm)；图4是三维断裂模型验证中B柱静压模型；图5是三维断裂模型验证中22MnB5高强钢B柱静压数值模拟与试验结果对比图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术实施例中的技术方案，并使本专利技术实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术实施例中技术方案作进一步详细的说明。在本专利技术的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参见图1，为本专利技术金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法的一个实施例方框图。该方法可以包括以下步骤：步骤S101、针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型。本实施例中，所述第一组试样可以包括多个试样，例如3个试样，该第一组试样中试样的结构如图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，其特征在于，包括：/n针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型；/n采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力-塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数

【技术特征摘要】
1.一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，其特征在于，包括：
针对相同材料的金属材料，设计用于准静态标准拉伸试验的第一组试样和用于断裂试验的第二组试样，该第二组试样中试样包括多种类型；
采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线，将该第一组试样的真应力-塑形应变曲线输入该第二组试样中各种试样类型对应的材料数值试验模型中，获得该第二组试样中各种试样类型对应的应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数
采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值；
针对该第二组试样中的每种试样类型，将其应力三轴度η、洛德角参数ξ、归一化洛德角参数和临界断裂应变值代入对应的三维模型中，建立多元次方程组，计算得到三维断裂模型中的五个未知系数K、C、f、n，进而得到金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型。


2.根据权利要求1所述的金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，其特征在于，所述第一组试样包括多个试样，所述采用非线性拉伸力对所述第一组试样进行准静态标准拉伸试验，获得该第一组试样的真应力-塑形应变曲线包括：
采用该非线性拉伸力对所述第一组试样中的各个试样进行准静态标准拉伸试验，以获得该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线；
从该第一组试样中各个试样的真应力-塑形应变曲线中选择居中的一条真应力-塑形应变曲线作为该第一组试样的真应力-塑形应变曲线。


3.根据权利要求1所述的金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，其特征在于，所述第二组试样中的每种试样类型都包括多个该种类型的试样；所述采用该非线性拉伸力对所述第二组试样中各种类型的试样进行断裂试验，获得该第二组试样中各种试样类型对应的临界断裂应变值包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：梁宾，赵岩，周佳，万鑫铭，冯毅，范体强，高翔，方刚，张钧萍，李珮铭，
申请(专利权)人：中国汽车工程研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50