【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冲击断裂数值分析领域，尤其涉及一种基于非局部损伤模型的材料冲击断裂数值分析方法。
技术介绍
1、冲击断裂作为构件的一种主要失效方式，在工程应用中获得了广泛关注。由于冲击断裂涉及高应变率加载，通过试验评估构件的抗冲击可靠性成本昂贵，开发冲击断裂数值模型并进行仿真预测具有重要意义。损伤模型目前广泛应用于金属材料冲击断裂的数值分析，这些模型通过考虑材料内部的微缺陷在加载过程中的演化机制，引入损伤变量描述材料的渐进失效过程，克服了经典塑性力学对于材料失效行为描述的缺陷。其中，gtn模型由于考虑到细观层面的微孔洞演化与宏观力学性能之间的定量关系，在工程中获得了广泛应用。
2、gtn模型的屈服函数描述为：
3、
4、式中：σeq为单元的等效应力，σm为单元的静水应力，σ0为基体材料的流动应力，q1、q2、q3为参数，f*为等效孔隙率，其表达式为：
5、
6、其中，f0为材料中预先存在的孔隙率，fc为孔洞聚合的临界孔隙率，kf为考虑孔洞聚合对损伤的加速效应而引入的加速因子，kf＝(1/q1-fc)/(ff-fc)，ff为单元失效时的孔隙率。
7、gtn模型中，孔隙率的增长来源于已有孔洞的生长与新孔洞的形核：
8、
9、
10、
11、式中：f为单元孔隙率，εm为单元的体积塑性应变，εn为形核时基体材料的平均等效塑性应变，sn为形核时基体材料等效塑性应变分布的标准差，fn为形核时夹杂物的体积分数。
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13、为了解决局部损伤模型的网格依赖性问题，peerlings等在文章“gradientenhanced damage for quasi-brittle materials”[peerlings r h j，de borst r，brekelmans w a m，et a1.gradient enhanced damage for quasi-brittle materials[j].international journal for numerical methods in engineering.1996.]中公开了一种隐式梯度增强非局部模型，通过对损伤进行规则化消除损伤模型的局部效应。隐式梯度增强非局部模型的控制方程描述为：
14、
15、其中：εnl为非局部变量，εl为相应的局部变量，l为内部特征长度，为laplace算子，边界条件为其中为梯度算子，n为边界的单位法向量。
16、基于隐式梯度增强非局部模型的控制方程与热传导方程形式上的相似性，seupel等在文章“an efficient fe-implementation of implicit gradient-enhanced damagemodels to simulate ductile failure”[seupel a，hütter g，kuna m.an efficient fe-implementation of implicit gradient-enhanced damage models to simulateductile failure[j].engineering fracture mechanics.2018.]中公开了一种基于热力耦合框架的非局部损伤模型数值实现方案，可以利用自定义子程序在abaqus/standard中实现。然而，冲击断裂的数值分析需要在abaqus/explicit中实现，在abaqus/explicit中仅能实现瞬态热传导过程，由此在非局部控制方程中引入的瞬态项在动态加载条件下对模拟结果的影响有待评估。
17、此外，传统gtn模型仅考虑了由孔洞体积增加引起的损伤演化，并未考虑在低应力三轴度下由孔洞拉长、旋转、扭曲等剪切机理引起的损伤，剪切行为不对孔隙率的增长做出贡献。因此传统gtn模型不适用于预测剪切载荷主导的韧性断裂过程，需要对其进行剪切修正，使其能够适用于不同应力状态下冲击载荷下韧性断裂过程的数值预测。
18、因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于非局部损伤模型的材料冲击断裂数值分析方法。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是基于局部gtn损伤模型的金属材料冲击断裂数值评估方法得到的结果具有网格依赖性，标定的参数无法迁移至其他问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于非局部损伤模型的材料冲击断裂数值分析方法，其特征在于，所述方法利用隐式梯度增强非局部模型对局部gtn模型进行修正，考虑特征应变的高阶梯度对损伤进行规则化，所述方法包括以下步骤：
3、s101：基于隐式梯度增强非局部模型对局部gtn模型进行修正，利用用户自定义子程序基于热力耦合框架进行数值实现；
4、s103：进行准静态下的光滑圆棒拉伸试验，利用试验曲线标定准静态硬化函数参数；
5、s105：进行准静态下的缺口圆棒拉伸试验，建立缺口圆棒试样有限元模型，模拟不同参数下的缺口圆棒拉伸过程，确定所述缺口圆棒拉伸试验中的参数cp；
6、s107：通过反向有限元法，对所述缺口圆棒拉伸试验的模拟和试验的载荷-位移曲线进行拟合，标定非局部gtn模型参数；
7、s109：进行剪切试样的拉伸试验，建立剪切试样的有限元模型，模拟剪切试样拉伸过程，拟合模拟和试验的载荷-位移曲线，标定剪切修正参数；
8、s111：进行不同应变速率下的所述光滑圆棒拉伸试验，利用试验曲线标定应变率硬化函数参数；
9、s113：建立v型缺口夏比冲击试样有限元模型，模拟不同参数下的夏比冲击过程，确定所述夏比冲击过程中的参数cp；
10、s115：利用非局部gtn模型模拟夏比冲击过程，预测夏比冲击过程的失效行为。
11、进一步地，在所述步骤s101中，基于隐式梯度增强非局部模型对局部gtn模型进行非局部修正，所述非局部修正选取特征应变作为修正变量，所述特征应变为：
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【技术保护点】
1.一种基于非局部损伤模型的材料冲击断裂数值分析方法，其特征在于，所述方法利用隐式梯度增强非局部模型对局部GTN模型进行修正，考虑特征应变的高阶梯度对损伤进行规则化，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S101中，基于隐式梯度增强非局部模型对局部GTN模型进行非局部修正，所述非局部修正选取特征应变作为修正变量，所述特征应变为：
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于热力耦合框架进行数值实现，利用隐式梯度增强非局部模型的控制方程与热传导方程形式上的相似性，通过ABAQUS传热求解器对非局部控制方程进行求解，ABAQUS瞬态热传导方程为：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S105中，所述缺口圆棒试样有限元模型简化为二维轴对称模型，在所述缺口处进行局部网格加密，有限元模拟的分析步设置为动态热力耦合分析步，单元类型设置为轴对称热力耦合减缩积分单元。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在确定所述瞬态项参数cp取值时，采用如下确定方案来选择合适参数cp作为所述缺口圆棒试样模
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S107中，所述反向有限元法的回归算法选为遗传算法与单纯形算法，所述反向有限元法的实施方案为利用所述遗传算法搜索获得近似全局最优解，换用所述单纯形算法搜索获得全局最优解。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在进行所述非局部GTN模型参数标定时，通过选取模拟与试验的载荷-位移曲线之间的面积差为反向有限元法的残差，通过反向有限元法不断调整所述非局部GTN模型的参数来减小残差获得非局部GTN模型参数的最优组合，所述非局部GTN模型参数包括形核时夹杂物的体积分数fN、形核时基体材料的平均等效塑性应变εN、孔洞聚合的临界孔隙率fc与单元失效时的孔隙率ff。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S113中，所述V型缺口夏比冲击试样有限元模型简化为二维平面应变模型，在缺口前端进行局部网格加密，有限元模拟的分析步设置为动态热力耦合分析步，单元类型设置为平面应变热力耦合减缩积分单元。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述V型缺口夏比冲击试验中，摆锤与砧座建模为离散刚体，所述摆锤与所述试样、所述砧座与所述试样之间设置接触，采用主从面算法进行接触定义，所述摆锤与所述砧座的表面为主面，所述试样表面为从面；固定所述摆锤与所述砧座的温度自由度，设置为0K，所述摆锤的初始速度设置为5.24m/s，接触属性设置为：法向硬接触，切向摩擦系数0.1，摩擦生热系数为0，所述摆锤与所述试样、所述砧座与所述试样之间的热传导系数设置为0。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在确定所述瞬态项参数cp取值时，采用如下确定方案来选择合适参数cp作为所述V型缺口夏比冲击试样模型参数：
...【技术特征摘要】
1.一种基于非局部损伤模型的材料冲击断裂数值分析方法，其特征在于，所述方法利用隐式梯度增强非局部模型对局部gtn模型进行修正，考虑特征应变的高阶梯度对损伤进行规则化，所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤s101中，基于隐式梯度增强非局部模型对局部gtn模型进行非局部修正，所述非局部修正选取特征应变作为修正变量，所述特征应变为：
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于热力耦合框架进行数值实现，利用隐式梯度增强非局部模型的控制方程与热传导方程形式上的相似性，通过abaqus传热求解器对非局部控制方程进行求解，abaqus瞬态热传导方程为：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤s105中，所述缺口圆棒试样有限元模型简化为二维轴对称模型，在所述缺口处进行局部网格加密，有限元模拟的分析步设置为动态热力耦合分析步，单元类型设置为轴对称热力耦合减缩积分单元。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在确定所述瞬态项参数cp取值时，采用如下确定方案来选择合适参数cp作为所述缺口圆棒试样模型参数：
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤s107中，所述反向有限元法的回归算法选为遗传算法与单纯形算法，所述反向有限元法的实施方案为利用所述遗传算法搜索获得近似全局最优解，换用所述单纯形算法搜索获得全局最优解。
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【专利技术属性】
技术研发人员：沈耀，刘卓扬，赵晨龙，刘桂森，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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