一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型技术

本发明专利技术公开了一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型。基于Oxley模型和正交切削试验，通过测量正交切削中的切削力和切屑厚度，计算高温合金材料在主剪切区剪切面AB的平均剪切应力k

【技术实现步骤摘要】
一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型


[0001]本专利技术涉及材料加工
，特别是一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型。

技术介绍

[0002]金属切削是工业生产中最重要、最常见的成形方式之一。研究金属切削过程中材料的力学行为响应对理解和改进切削建模是非常重要的。近年来，有限元法在切削仿真过程模拟变成了重要的手段。材料的本构模型是构建有限元模型的前提条件，本构关系的精确与否直接关系到有限元仿真结果的准确性。利用有限元法对切削过程进行仿真，它可以预测切削力、温度、应力分布和切屑的形成，从而帮助我们提高零件质量、优化切削工艺和刀具设计，提高生产效率，降低成本。因此，选择或建立符合材料自身属性的本构关系及准确的本构模型参数对切削仿真至关重要。在切削加工过程中，材料在高应变率下(102～105s
‑1)承受大应变，从而引起绝热升温，在如此大的变形范围内，所研究的材料会受到变形行为的影响，如应变硬化、软化和相变。这些现象共同影响着材料的力学响应，并导致真应力
‑
应变曲线形状发生变化。
[0003]材料本构模型一般分为三大类：经验模型(empirical models)、半经验模型(semi
‑
empirical models)和包含物理现象的模型(models incorporating physicalphenomena)。最近在材料变形方面的主要焦点是发展机理物理的本构模型，其内部变量代表材料的变形历史，可以解释材料的硬化、软化和回复现象，但是由于参数过多而在切削领域使用起来较为复杂。
[0004]在开发金属切削本构模型时，力学响应数据往往来源于压缩实验或动态力学测试实验。但是受限于实验条件，获取的数据和相关本构模型通常涵盖有限的应变、应变速率和温度范围，其试验方法繁琐、成本高、技术不成熟等问题，往往导致辨识的精度较低，极大地降低了仿真结果的不准确性。同时当材料成分或热处理状态发生变化时，需要重新进行试验确立其本构方程，表层材料经受多次热
‑
力载荷作用，诱导微观结构的变化，在常规的力学试验中都难以反映。为了解决测试方法中力学响应不能反映加工中的的实际热
‑
机械载荷问题，大量学者围绕数值模型和解析模型开展了大量本构参数逆向识别工作，虽然取得了一定成果，但是一系列的有限元模拟导致计算成本交高，耗时较长，且伴随着很高的不确定性和较低的精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型。本专利技术具有计算精度高、可靠性和准确性高的特点。
[0006]本专利技术的技术方案：一种高温合金本构参数逆向识别方法，基于Oxley模型和正交切削试验，通过测量正交切削中的切削力和切屑厚度，计算高温合金材料在主剪切区剪切面AB的平均剪切应力k
AB
、平均剪切应变γ
AB
、平均剪切应变速率和平均温升T
AB
；使用
Waldorf
’
s滑移线场模型修正切削力；通过准静态压缩试验得到的应力应变曲线拟合高温合金材料J_C本构模型中的应变硬化项参数：初始屈服强度A、硬化模量B、应变率敏感系数n，再把J_C本构模型中剩余的2个参数：应变硬化指数C和热软化系数m作为优化目标，通过优化算法搜索参数A、B、C、n、m的最优组合。
[0007]前述的高温合金本构参数逆向识别方法中，k
AB
的计算过程如下：
[0008]利用正交切削试验的正交切削中测量的主切削力F
c
、切深抗力F
t
和切屑厚度h
c
进行计算；
[0009]Oxley模型中的剪切角φ通过测量正交切削试验中变形切屑的厚度来获得，由式(2)计算：
[0010][0011]式中，h为切削深度；h
c
为切屑厚度；α为刀具前角；
[0012]剪切面AB的平均剪切应力k
AB
由式(3)计算：
[0013][0014]式中，F
s
为剪切力，φ为剪切角，h为切削深度，w为切削宽度；
[0015]F
s
由式(4)计算：
[0016]F
s
＝F
c
cosφ
‑
F
t
sinφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
[0017]前述的高温合金本构参数逆向识别方法中，γ
AB
由式(5)计算：
[0018][0019]前述的高温合金本构参数逆向识别方法中，的计算过程如下：
[0020]基于Oxley模型中剪切面AB的平均剪切应变速率与剪切速度V
s
成正比，与剪切带的长度l
AB
成反比，由式(6)～式(8)计算：
[0021][0022][0023][0024]式中，C
o
为l
AB
和第一剪切区域厚度
△
S1之比：l
AB
/
△
S1；
[0025]C
o
由式(9)～式(12)计算：
[0026]F
ns
＝F
c sinφ+F
t cosφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0027][0028][0029][0030]式中，p
A
和p
B
分别为剪切带端点处的静水应力；参数A、B、n分别为J_C本构模型的初始屈服强度、硬化模量和应变率敏感系数；σ
AB
和ε
AB
分别为等效应力和等效应变；F
ns
为作用于剪切面AB的法向力。
[0031]前述的高温合金本构参数逆向识别方法中，T
AB
的计算过程如下：
[0032]在正交切削分析中，假设切屑以恒定的摩擦系数在前刀面上滑动，实际上切屑在前刀面上会滞留一小段时间，然后以恒定的摩擦系数滑动；则，平均摩擦系数μ由式(13)计算：
[0033][0034]其中，F
f
和F
nf
由式(14)、(15)计算：
[0035]F
f
＝Ft cosα+Fc sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0036]F
nf
＝Ft sinα
‑
Fc cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0037]剪切面AB的平均温升T
AB
由式(16)计算：
[0038]T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，基于Oxley模型和正交切削试验，通过测量正交切削中的切削力和切屑厚度，计算高温合金材料在主剪切区剪切面AB的平均剪切应力k
AB
、平均剪切应变γ
AB
、平均剪切应变速率和平均温升T
AB
；使用Waldorf
’
s滑移线场模型修正切削力；通过准静态压缩试验得到的应力应变曲线拟合高温合金材料J_C本构模型中的应变硬化项参数：初始屈服强度A、硬化模量B、应变率敏感系数n，再把J_C本构模型中剩余的2个参数：应变硬化指数C和热软化系数m作为优化目标，通过优化算法搜索参数A、B、C、n、m的最优组合。2.根据权利要求1所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，k
AB
的计算过程如下：利用正交切削试验的正交切削中测量的主切削力F
c
、切深抗力F
t
和切屑厚度h
c
进行计算；Oxley模型中的剪切角φ通过测量正交切削试验中变形切屑的厚度来获得，由式(2)计算：式中，h为切削深度；h
c
为切屑厚度；α为刀具前角；剪切面AB的平均剪切应力k
AB
由式(3)计算：式中，F
s
为剪切力，φ为剪切角，h为切削深度，w为切削宽度；F
s
由式(4)计算：F
s
＝F
c
cosφ
‑
F
t
sinφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。3.根据权利要求2所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，γ
AB
由式(5)计算：4.根据权利要求2所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，的计算过程如下：基于Oxley模型中剪切面AB的平均剪切应变速率与剪切速度V
s
成正比，与剪切带的长度l
AB
成反比，由式(6)～式(8)计算：成反比，由式(6)～式(8)计算：成反比，由式(6)～式(8)计算：
式中，C
o
为l
AB
和第一剪切区域厚度
△
S1之比：l
AB
/
△
S1；C
o
由式(9)～式(12)计算：F
ns
＝F
c
sinφ+F
t
cosφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)(9)(9)式中，p
A
和p
B
分别为剪切带端点处的静水应力；参数A、B、n分别为J_C本构模型的初始屈服强度、硬化模量和应变率敏感系数；σ
AB
和ε
AB
分别为等效应力和等效应变；F
ns
为作用于剪切面AB的法向力。5.根据权利要求2所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，T
AB
的计算过程如下：在正交切削分析中，假设切屑以恒定的摩擦系数在前刀面上滑动，实际上切屑在前刀面上会滞留一小段时间，然后以恒定的摩擦系数滑动；则，平均摩擦系数μ由式(13)计算：其中，F
f
和F
nf
由式(14)、(15)计算：F
f
＝Ft cosα
‑
Fc cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)F
nf
＝Ft sinα
‑
Fc cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)剪切面AB的平均温升T
AB
由式(16)计算：T
AB
＝T0+ηΔT
AB
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)式中，T
o
为材料初始温度；η为总剪切能转换为焓的百分比，取1；
△
T
AB
指考虑材料塑性应变在主剪切区引起的温升，产生的总剪切能为F
s
V
s
，单位时间的切屑质量m
chip
＝ρVhw；因此
△
T
AB
由式(17)计算：式中，β为剪切区热量分配系数，由式(18)、(19)计算：式中，β为剪切区热量分配系数，由式(18)、(19)计算：式中，R
T
为中间参数；ρ为材料密度；S为工件材料的比热；k为工件材料的热传导系数，表示为温度的函数。6.根据权利要求2所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，使用Wal...

【专利技术属性】
技术研发人员：田鹏飞，何林，周滔，杜飞龙，邹子川，周小容，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：