一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法及系统技术方案

本发明专利技术属于金属切削加工领域，并具体公开了一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法及系统，包括S1对工件进行准静态压缩实验，得到本构模型中表征应变作用的参数；S2对工件进行切削实验，基于成像方法获得应变场、应变率场、温度场并测得实际剪切力；S3根据预设本构模型中表征应变率和温度作用的参数初值、表征应变作用的参数和应变场、应变率场、温度场计算理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对表征应变率和温度作用的参数进行迭代更新，直至理论剪切力和实际剪切力间误差小于预设值，完成本构模型参数辨识。该方法数据完全来源于真实切削实验，辨识的本构模型参数结果准确、适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法及系统
本专利技术属于金属切削加工领域，更具体地，涉及一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法及系统。
技术介绍
金属切削加工成型零件的质量通过其表面完整性来进行衡量。表面完整性是对加工表面的状态和属性以及其与功能、性能之间关系的描述，最早在20世纪50年代初就有人开始研究，并在接下来的几十年里受到越来越多的关注，如今国际生产工程科学院(TheInternationalAcademyforProductionEngineering,CIRP)两年一度召开国际会议对其进行讨论，同时众多企业也相应对零件加工完成后的表面完整性，例如残余应力提出了严格的要求。在近年，由CIRP几位前主席提出，直接影响表面完整性的是在在切削过程中间的一些物理量，例如应变、应变率和温度等。描述切削过程中的物理量通常使用本构模型，本构模型描述应力σ与应变ε、应变率温度T之间的关系，写作确定准确的本构参数是准确描述切削过程的前提。有研究者通过一些标准材料测试辨识本构参数，但是在实际切削过程中，材料发生的应变与应变率是远远高出这些测试所能达到的值；也有人通过一些理论切削模型，如Oxley切削分析模型，或是通过有限元仿真模拟切削过程来进行辨识，但是模型都是对实际情况的简化，而且在如今复合材料使用越来越多，分析需要考虑到的一些材料特性并不容易获取。随着相机的性能越来越优秀，相应的数字图像处理相关(DIC，DigitalImagingCorrelation)技术也越来越成熟。该技术本质上是对物体表面的像素特征点进行追踪与匹配，从而得到其表面的位移矢量场。早先，研究者在材料力学实验中借助用DIC技术观察材料的变形情况，如今也通过DIC进行切削机理的研究。通过成像的手段可以观察到实际切削过程，观察切屑与工件基体的分离过程，对整个切削加工过程有更直观的了解，并且可以从图中直接获得到剪切角、切屑-刀具接触长度等本来需要通过复杂的模型计算获得的量。而在获得位移场后，能进一步的计算出应变场与应变率场，这是直接在切削过程中获得的，与实际情况高度匹配。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法及系统，其目的在于，通过切削实验获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据，根据应变场、应变率场、温度场代入本构模型计算理论剪切力，并将其与实际剪切力对比，不断迭代完成本构模型参数辨识，辨识参数结果准确、适用范围广。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，包括如下步骤：S1对待测材料制成的工件进行准静态压缩实验，得到材料本构模型中表征应变作用的参数；S2对待测材料制成的工件进行切削实验，获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据；S3根据预设的本构模型中表征应变率和温度作用的参数初值，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；S4根据更新后的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；S5重复S4，直至理论剪切力和实际剪切力间的误差小于预设的允许误差，此时本构模型中表征应变率和温度作用的参数即为所求的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，完成材料本构模型参数辨识。作为进一步优选的，所述S1中对待测材料制成的工件进行准静态压缩实验，得到压缩载荷和压缩位移间的关系曲线，根据该关系曲线得到应力与应变间的关系，进而得到材料本构模型中表征应变作用的参数。作为进一步优选的，所述S2中获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据，具体包括以下步骤：S21按预设切削参数对待测材料制成的工件进行切削，测力仪(5)和红外相机(4)同步分别对切削力和温度场进行测量，并根据切削力求得对应的实际剪切力，双帧相机(3)按预设帧间距对切削过程连续拍摄两张图片，根据该图片得到位移场；S22通过红外相机(4)和双帧相机(3)内置时间，将位移场与同一时间的温度场对应起来，并根据位移场求得对应的应变场和应变率场，从而得到应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据。作为进一步优选的，所述S2还包括如下步骤：S23改变切削参数，重复步骤S21和S22数次，从而得到多组应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据。作为进一步优选的，所述S21中，通过数字图像相关法对双帧相机(3)拍摄的两张图片进行处理得到位移场。作为进一步优选的，所述待测材料制成的工件优选为片状，并在工件的红外相机观察面进行喷漆处理，在工件的双帧相机观察面进行喷砂处理。作为进一步优选的，所述切削参数包括切削速度和进给量，切削速度为30m/min～210m/min，进给量为0.1mm～0.15mm。按照本专利技术的另一方面，提出了一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识系统，包括双帧相机、红外相机、测力仪、位移精调平台、位移粗调平台和信号采集模块，其中：所述双帧相机通过所述位移精调平台安装在所述位移粗调平台上，其用于对切削过程进行拍摄以获取应变场、应变率场数据；所述红外相机安装在所述位移粗调平台上，其用于获取温度场数据；所述测力仪用于获取实际剪切力数据；所述信号采集模块与所述双帧相机、红外相机和测力仪均相连，用于收集双帧相机、红外相机和测力仪获取的数据。作为进一步优选的，该系统还包括激光光源，该激光光源用于在所述双帧相机拍摄时提供光源。作为进一步优选的，该系统还包括位置传感器和信号同步触发模块，所述位置传感器用于获取工件切削进度并传递给所述信号同步触发模块，所述信号同步触发模块根据切削进度控制所述双帧相机、红外相机和测力仪工作。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术根据应变场、应变率场、温度场代入本构模型计算理论剪切力，并将其与实际剪切力对比，不断迭代优化完成本构模型参数辨识，相较于数值模拟辨识方法，未进行大量的假设，包括对切削模型的简化，所辨识出的本构参数更接近于实际值。2.相较于传统机械测试，本专利技术直接通过切削实验获取相关数据，使用双帧相机能在高速切削条件下进行测量，辨识出的本构参数适用于更广的应变与应变率范围，可以包含一般切削状况。3.本专利技术通过数字图像相关法(DigitalImagingCorrelation)对双帧相机获取的图片进行处理得到位移场，该方法不依赖于对材料本身的了解，对陌生复合材料也可以得到准确的变形情况。4.本专利技术将工件制成片状，并在其红外相机观察面进行喷漆处理以辅助热成像，在双帧相机观察面进行喷砂处理以形成散斑，便于双帧相机根据所述散斑的位移计算待测量工件的位移场。5.考虑到相机视野本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1对待测材料制成的工件进行准静态压缩实验，得到材料本构模型中表征应变作用的参数；/nS2对待测材料制成的工件进行切削实验，获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据；/nS3根据预设的本构模型中表征应变率和温度作用的参数初值，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；/nS4根据更新后的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；/nS5重复S4，直至理论剪切力和实际剪切力间的误差小于预设的允许误差，此时本构模型中表征应变率和温度作用的参数即为所求的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，完成材料本构模型参数辨识。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1对待测材料制成的工件进行准静态压缩实验，得到材料本构模型中表征应变作用的参数；
S2对待测材料制成的工件进行切削实验，获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据；
S3根据预设的本构模型中表征应变率和温度作用的参数初值，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；
S4根据更新后的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，本构模型中表征应变作用的参数，以及材料应变场、应变率场、温度场数据计算得到理论剪切力，根据理论剪切力和实际剪切力，对本构模型中表征应变率和温度作用的参数进行更新；
S5重复S4，直至理论剪切力和实际剪切力间的误差小于预设的允许误差，此时本构模型中表征应变率和温度作用的参数即为所求的本构模型中表征应变率和温度作用的参数，完成材料本构模型参数辨识。


2.如权利要求1所述的基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，其特征在于，所述S1中对待测材料制成的工件进行准静态压缩实验，得到压缩载荷和压缩位移间的关系曲线，根据该关系曲线得到应力与应变间的关系，进而得到材料本构模型中表征应变作用的参数。


3.如权利要求1所述的基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，其特征在于，所述S2中获得应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据，具体包括以下步骤：
S21按预设切削参数对待测材料制成的工件进行切削，测力仪(5)和红外相机(4)同步分别对切削力和温度场进行测量，并根据切削力求得对应的实际剪切力，双帧相机(3)按预设帧间距对切削过程连续拍摄两张图片，根据该图片得到位移场；
S22通过红外相机(4)和双帧相机(3)内置时间，将位移场与同一时间的温度场对应起来，并根据位移场求得对应的应变场和应变率场，从而得到应变场、应变率场、温度场和实际剪切力数据。


4.如权利要求3所述的基于切削成像的材料本构模型参数辨识方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小明，张可，刘杰，李双全，聂广超，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42