微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法

摘要

本发明公开了微观‑宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法。本发明建立微观塑性本构模型并耦合宏观几何，同时进行钣金成形工艺模拟，在此基础上建立微观‑宏观耦合疲劳损伤模型进行疲劳寿命预测，探索钣金成形工艺与疲劳失效机理，为工程应用提供理论指导和工艺优化依据。从微观角度探索钣金成形过程材料性能与塑性变形演化分布；研究晶粒尺寸与取向分布及析出相分布等微观特征对钣金成形工艺的影响与贡献程度；进一步耦合宏观模型和工艺研究疲劳损伤和评估构件疲劳寿命。本发明是一种可靠高效的计算模型与评估方法，相关模型与算法的建立具有重要的科学创新性和工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及金属钣金成形技术领域，具体涉及一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法。

背景技术

由于生产效率高、加工成本低廉，钣金成形工艺广泛应用于工业生产中，尤其是汽车和模具行业。目前，金属材料钣金成形工艺存在的主要问题是：撕裂、起皱和回弹。产生这些问题的原因一方面是由于金属材料在室温钣金成形过程中会产生加工硬化现象，造成拉伸和屈服强度的提升及韧性的降低。尤其是在加工过程中材料内部微观损伤和缺陷的存在与形成会造成工具服役寿命的急剧降低，其主要原因是成形过程材料微观结构与内部应力状态的改变；另一方面是由于目前越来越复杂的钣金零件设计。此外，由于金属零件钣金成形过程特性和服役工况条件，也易造成其在工程应用中发生疲劳失效和损伤。因此，从微观-宏观角度来研究钣金成形工艺及进行疲劳寿命评估具有创新性和工程应用价值。

一直以来，钣金成形数值模拟都是基于宏观几何、材料和接触等非线性算法，进行成形工艺与材料参数优化计算，基于宏观几何进行钣金成形工艺模拟，获得成形回弹变形等参数，并未涉及到材料微观结构特征和相关疲劳寿命的分析预测。因此，现有的钣金成形模拟技术仅仅是局限于宏观层次的研究，并且模拟结果也仅限于应力/应变参数，针对微观-宏观耦合进行钣金成形过程应力应变与疲劳寿命预测计算基本还未涉及到。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法解决了现有钣金成形数值计算中无法考虑微观-宏观多尺度耦合行为和材料损伤及疲劳寿命预测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；

S2、在微观-宏观尺度耦合模型的基础上建立疲劳损伤与寿命评估模型；

S3、基于微观-宏观尺度耦合模型的疲劳损伤与寿命评估模型评估损伤与疲劳寿命。

进一步地：所述步骤S1的具体步骤为：

S11、基于宏观几何尺寸与材料微观结构特征建立晶粒晶核坐标信息；

S12、将晶粒晶核坐标信息通过Voronoi算法生成二维或三维晶粒模型并将其网格化；

S13、根据钣金成形工艺特征和材料微观结构特征建立应变速率相关的塑性本构模型；

S14、基于二维或三维晶粒模型和塑性本构模型在Abaqus软件中设置宏观材料属性、晶粒属性和钣金成形工艺参数建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；

S15、当微观-宏观尺度耦合模型验证合格时，则输出该模型，否则，修改晶粒晶核坐标信息，并返回步骤S12。

进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：

S21、基于微观-宏观尺度耦合模型定义材料损伤变量，并对损伤变量进行初始化；

S22、在微观模型上施加工艺和疲劳载荷及边界条件；

S23、基于微观模型和工艺和疲劳载荷及边界条件进行应力应变计算得到微观应力应变计算结果；

S24、通过微观应力应变计算结果获得单个晶粒的损伤变量增量；

S25、通过单个晶粒的损伤变量增量计算微观模型累积损伤变量，并获得微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命；

S26、基于宏观模型进行应力应变计算得到宏观应力应变计算结果；

S27、通过宏观应力应变计算结果获得材料损伤变量增量；

S28、通过材料损伤变量增量计算宏观模型累积损伤变量，并获得宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命；

S29、通过微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命和宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命建立疲劳损伤与寿命评估模型。

进一步地：所述步骤S25中微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命的计算公式为：

上式中，N_i为微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命，E为弹性模量，γ_s为材料自由表面能，σ为应力，a为滑移系，v为泊松比，f为能量有效系数，t_m为最大PSB宽度，Δτ为剪切应力增量，Δγ_p为塑性剪切应变增量。

进一步地：所述步骤S28中宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命的计算公式为：

上式中，N_macro为宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命，α、β、m和n均为材料参数，σ_a和σ_m分别为应力幅和平均应力，E和E₀分别为损伤后和损伤前弹性模量。

进一步地：所述步骤S3的具体步骤为：

S31、根据金属材料的晶体结构确定滑移系数量；

S32、根据滑移系数量确定微观-宏观尺度耦合模型中需要计算的求解变量，并设定迭代精度和误差范围；

S33、利用线性算法预测疲劳损伤与寿命评估模型的迭代初始值；

S34、通过Newton-Rhapson算法计算疲劳损伤与寿命评估模型的非线性增量，算法公式为：

其中，x_n+1为第n+1步的非线性增量，x_n为第n步的非线性增量，f(x_n)为x_n的函数值，其导数为f′(x_n)；

S35、通过线性算法计算疲劳损伤与寿命评估模型的剪切应变率，并对剪切应变率和非线性增量利用Newton-Rhapson算法根据求解变量和迭代初始值求解剪切应变增量和一致切线刚度矩阵，通过剪切应变增量和一致切线刚度矩阵完成损伤与疲劳寿命的评估；

S36、当剪切应变增量收敛时，输出损伤与疲劳寿命，否则，调整微观-宏观尺度耦合本构模型中的迭代精度和误差范围，并返回步骤S33。

进一步地：所述步骤S31中的晶体结构包括面心立方金属材料和体心立方金属材料，所述面心立方金属材料的滑移系数量为12，所述体心立方金属材料的滑移系数量为48。

本发明的有益效果为：本发明建立微观塑性本构模型并耦合宏观几何，开发迭代算法进行钣金成形工艺模拟。并在此基础上建立微观-宏观耦合疲劳损伤模型进行疲劳寿命预测，探索钣金成形工艺与疲劳失效机理，为工程应用提供理论指导和工艺优化依据。从微观角度探索钣金成形过程材料性能与塑性变形演化分布；研究晶粒尺寸与取向分布及析出相分布等微观特征对钣金成形工艺的影响与贡献程度；进一步耦合宏观模型和工艺研究疲劳损伤和评估构件疲劳寿命。本发明方法基于微观-宏观尺度进行钣金成形工艺模拟与疲劳寿命评估，是一种可靠高效的计算模型与评估方法，相关模型与算法的建立具有重要的科学创新性和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明中钣金成形工艺微观模型示意图；

图3为本发明中钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合计算结果示意图

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种微观-宏观尺度钣金成形工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；具体步骤为：

S11、基于宏观几何尺寸与材料微观结构特征建立晶粒晶核坐标信息；

S12、将晶粒晶核坐标信息通过Voronoi算法生成二维或三维晶粒模型并将其网格化；

S13、根据钣金成形工艺特征和材料微观结构特征建立应变速率相关的塑性本构模型；

S14、基于二维或三维晶粒模型和塑性本构模型在Abaqus软件中设置宏观材料属性、晶粒属性和钣金成形工艺参数建立金属材料钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模型；

S15、当微观-宏观尺度耦合模型验证合格时，则输出该模型，否则，修改晶粒晶核坐标信息，并返回步骤S12。

S2、通过微观-宏观尺度耦合模型建立疲劳损伤与寿命评估模型；具体步骤为：

S21、基于微观-宏观尺度耦合模型定义材料损伤变量，并对损伤变量进行初始化；

S22、在微观模型上施加工艺和疲劳载荷及边界条件；

S23、基于微观模型和工艺和疲劳载荷及边界条件进行应力应变计算得到微观应力应变计算结果；

S24、通过微观应力应变计算结果获得单个晶粒的损伤变量增量；

S25、通过单个晶粒的损伤变量增量计算微观模型累积损伤变量，并获得微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命；微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命的计算公式为：

上式中，N_i为微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命，E为弹性模量，γ_s为材料自由表面能，σ为应力，a为滑移系，v为泊松比，f为能量有效系数，t_m为最大PSB宽度，Δτ为剪切应力增量，Δγ_p为塑性剪切应变增量。

S26、基于宏观模型进行应力应变计算得到宏观应力应变计算结果；

S27、通过宏观应力应变计算结果获得材料损伤变量增量；

S28、通过材料损伤变量增量计算宏观模型累积损伤变量，并获得宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命；宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命的计算公式为：

上式中，N_macro为宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命，α、β、m和n均为材料参数，σ_a和σ_m分别为应力幅和平均应力，E和E₀分别为损伤后和损伤前弹性模量。

S29、通过微观基疲劳裂纹萌生扩展寿命和宏观基疲劳裂纹萌生扩展寿命建立疲劳损伤与寿命评估模型。

S3、基于微观-宏观尺度耦合模型的疲劳损伤与寿命评估模型评估损伤与疲劳寿命。具体步骤为：

S31、根据金属材料的晶体结构确定滑移系数量；

晶体结构包括面心立方金属材料和体心立方金属材料，所述面心立方金属材料的滑移系数量为12，所述体心立方金属材料的滑移系数量为48。

S32、根据滑移系数量确定微观-宏观尺度耦合模型中需要计算的求解变量，并设定迭代精度和误差范围；

S33、利用线性算法预测疲劳损伤与寿命评估模型的迭代初始值；

S34、通过Newton-Rhapson算法计算疲劳损伤与寿命评估模型的非线性增量，算法公式为：

其中，x_n+1为第n+1步的非线性增量，x_n为第n步的非线性增量，f(x_n)为x_n的函数值，其导数为f′(x_n)；

S35、通过线性算法计算疲劳损伤与寿命评估模型的剪切应变率，并对剪切应变率和非线性增量利用Newton-Rhapson算法根据求解变量和迭代初始值求解剪切应变增量和一致切线刚度矩阵，通过剪切应变增量和一致切线刚度矩阵完成损伤与疲劳寿命的评估。

S36、当剪切应变增量收敛时，输出损伤与疲劳寿命，否则，调整微观-宏观尺度耦合本构模型中的迭代精度和误差范围，并返回步骤S33。

为耦合考虑微观基模型，从宏观模型中任意位置处，取出一块区域进行微观建模，微观模型如图2所示。对钣金成形工艺微观-宏观尺度耦合模拟及损伤与疲劳寿命评估，结果如图3所示。从图3中可以看出基于本发明微观-宏观尺度耦合计算钣金成形过程，可以从多尺度角度来研究钣金成形过程工件损伤和应力演化程度，从而能更准确地预测工件钣金成形过程变形与回弹量，进一步也能更直观地评估成形过程材料构件的寿命，为工程应用提供理论与应用指导。