一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法
【专利摘要】本发明涉及一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，以静态单轴拉伸数据为基础，利用均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线验证CAE仿真模型的准确性，再通过CAE模型间接预测颈缩段的真应力-真应变曲线，从而得到单轴拉伸全程的等效真应力-真应变曲线。本发明是一种操作简便，且简单的获取材料单轴拉伸全程真应力-真应变曲线的方法，以满足工程设计CAE仿真的需要。同时，结合CAE技术，尽可能的削弱网格效应对CAE分析准确性的影响。
【专利说明】一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料力学性能测试与材料本构关系，尤其是结合CAE技术的试验数据处理方法，具体涉及一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法。
【背景技术】
[0002]在现有CAE仿真计算中，各向同性金属材料塑性曲线是通过单轴拉伸试验获得，在工程应用时，对颈缩阶段的真实应力应变曲线的处理通常有两种方式:一种是沿着均匀塑性变形阶段真应力曲线的切线进行延伸，由CAE仿真软件按照幂函数自动外延插值；另外一种方法是设定颈缩开始后的真应力值保持不变，也就是颈缩后的真应力真应变曲线为平行于X轴的直线。
[0003]但根据上述方法得到的真应力应变曲线不能反映材料的真实变形过程，I)由于真应力值大于实际值，计算的结果安全系数不够；2)同样采用下限的正应力真应变曲线又较为保守，安全系数过大，不利于合理用材与结构的优化设计。
[0004]在现有CAE仿真计算中，曲线主要的获得步骤是:
[0005]I)根据GB/T228的试验方法，单轴拉伸时，在试样标距相互放置引伸计获得材料的载荷一位移曲线，再根据样件标距Ltl和截面积S计算得到工程应力应变曲线。
[0006]2)在均匀塑性变形阶段(颈缩开始之前)，基于体积不变原理，得到工程应力、工程应变与真实应力工程应变的转化公式，根据下式转化得到均匀塑性变形阶段的真实应力应变曲线。
[0007]σ t=o e (1+ ε e) (I)
[0008]ε t=ln(l+ ε e) (2)
[0009]3)在颈缩开始后，伸长量沿试验标距已不再是均匀分布，颈缩区域很大，颈缩区外很小，上述公式已不适用工程应力应变曲线向真实应力应变曲线的转换。在工程应用时，对于颈缩阶段的真实应力应变曲线的处理通常有两种方式:一种是沿着均匀塑性变形阶段真应力曲线的切线进行延伸，由CAE仿真软件按照幂函数自动外延插值；另外一种方法是设定颈缩开始后的真应力值保持不变，也就是颈缩后的真应力真应变曲线为平行于X轴的直线。图1为目前CAE仿真材料塑性曲线示意图。
[0010]根据步骤得到的真应力应变曲线不能反映材料的真实变形过程，采用图1中上限的真应力应变曲线做仿真时，由于真应力值大于实际值，计算的结果安全系数不够；同样采用下限的正应力真应变曲线又较为保守，安全系数过大，不利于合理用材与结构的优化设计。由于上述两种方法获得真应力真应变曲线不是材料变形的实际轨迹，在CAE仿真的任意时刻零件变形与实际情况存在较大差异。因此，需要建立一种快速获取更为准确的金属材料实际真应力真应变曲线的方法，满足工程设计CAE仿真的需要。
[0011]相关专利中对于各向同性金属材料全程应力应变曲线的测试技术已从理论上给予较为详细的说明。但由于测试技术对设备要求高，且计算的工作量大，工程应用目前还存在诸多困难。因此，需要建立一种操作简便，且简单的获取材料单轴拉伸全程真应力-真应变曲线的方法，以满足工程设计CAE仿真的需要。同时，结合CAE技术，尽可能的削弱网格效应对CAE分析准确性的影响。
[0012]综上所述，由于原方法获得真应力真应变曲线不是材料变形的实际轨迹，在CAE仿真的任意时刻零件变形与实际情况存在较大差异。因此，需要建立一种快速获取更为准确的金属材料实际真应力真应变曲线的方法，满足工程设计CAE仿真的需要。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，以静态单轴拉伸数据为基础，利用均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线验证CAE仿真模型的准确性，再通过CAE模型间接预测颈缩段的真应力-真应变曲线，从而得到单轴拉伸全程的等效真应力-真应变曲线。
[0014]具体技术方案如下:
[0015]采用如下步骤:
[0016](I)测得样件的载荷位移曲线，并测量样件原始尺寸计算得到工程应力-工程应变曲线；
[0017](2)利用弹性变形阶段曲线计算弹性模量；
[0018](3)均匀塑性变形阶段，利用式(I)和式(2)转化得到真应力-真应变曲线，式(I)σ t=° e (l+ee)，式(2) ε t=ln(l+ ε e)；
[0019](4)将得到的均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线去除弹性变形阶段，得到材料的塑性曲线；
[0020](5)验证CAE仿真模型的准确性；
[0021](6)利用式(I)和式(2)，计算拉伸全程的应力应变曲线，带入步骤(5)中所述模型，进行拉伸过程的计算；
[0022](7)利用位移和瞬时截面积与试验测得的载荷-位移曲线，工程应力应变曲线和真实应力应变曲线进行比较，用相应点的载荷除以瞬时截面积，即可得到理论的等效真实应力应变曲线。
[0023]进一步地，步骤(I)中，根据单轴拉伸国家标准GB/T228标准，通过加载引伸计，测得样件的载荷位移曲线，并测量样件原始尺寸计算得到工程应力-工程应变曲线。
[0024]进一步地,根据金属材料单轴拉伸试验标准GB/T228,引伸计初始长度选取80mm,测得样件的载荷位移曲线，通过测量试验的原始截面积，计算得到工程应力-工程应变曲线。
[0025]进一步地，步骤(2)中，利用弹性变形阶段曲线，按照GB/T22315计算得到材料的
弹性模量值。
[0026]进一步地，步骤(3)中，在工程应力-应变曲线中找到工程应力的最大值，即抗拉强度，删除最大值之后曲线，保留均匀塑性变形阶段数据，利用式(I)和式(2)转化得到真应力-真应变曲线。
[0027]进一步地，步骤(4)中，对于有屈服平台的材料，塑性曲线的开始位置选取屈服平台开始的位置；无屈服平台的曲线，塑性曲线起始位置按照工程残余应变0.2%确定，并找到对应的真应变和真应力值。[0028]进一步地，步骤(4)中，将得到的均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线去除弹性变形阶段，得到材料的塑性曲线。在工程应力应变曲线上，按照工程残余应变0.2%确定塑性曲线的起始位置，将真应变值减去塑性曲线起始应变，真应力值不变，则得到均匀塑性变形阶段的塑性曲线。
[0029]进一步地,步骤(5)中，包括如下步骤:用hypermesh制作一个与测试样件的规格相同，在ABAQUS中按照实际测试加载的状态，包括夹头的形状，加持样件的初始位置等参数都与实际拉伸测试实物一致，模拟材料测试的过程，样件的网格形状和尺寸按照CAE仿真的实际需要确定；将得到的弹性模量和均匀塑性变形阶段塑性曲线作为输入，给CAE样件模型加载，模拟单轴拉伸过程，获取均匀塑性阶段实际试验时引伸计位置的载荷-位移曲线，并与实验测得的载荷位移曲线进行比较，并通过对ABAQUS模型的网格尺寸、夹持的摩擦力等非材料本构参数进行调整，直至最终得到均匀塑性变形阶段CAE模型计算的载荷一位移曲线与试验获得的载荷一位移曲线相近，此时说明所建立的样件仿真模型与实测的数据基本无误差，说明非材料本够因素对模型的结果基本无影响，因此可以采用此模型预测整个拉伸试验过程。
[0030]进一步地，步骤(6)中，采集与试验时引伸计相应位置的拉伸全程CAE模型的位移-瞬时截面变化曲线。
[0031]与目前现有技术相比，本发明是一种操作简便，且简单的获取材料单轴拉伸全程真应力-真应变曲线的方法，以满足工程设计CAE仿真的需要。同时，结合CAE技术，尽可能的削弱网格效应对CAE分析准确性的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1现阶段CAE仿真材料塑性曲线上下限示意图
[0033]图2测试钢板样件尺寸示意图
[0034]图3单轴拉伸载荷-位移试验曲线
[0035]图4实验工程应力应变曲线
[0036]图5CAE仿真塑性曲线(均匀塑性变形段)
[0037]图6CAE软件采集的拉伸过程位移-瞬时截面积曲线
[0038]图7等效真实应力应变曲线
【具体实施方式】
[0039]下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
[0040]实施例一
[0041]1.根据单轴拉伸国家标准GB/T228标准，通过加载引伸计，测得样件的载荷位移曲线，并测量样件原始尺寸计算得到工程应力-工程应变曲线。利用弹性变形阶段曲线计算弹性模量；均匀塑性变形阶段，利用式(I)和式(2)转化得到真应力-真应变曲线。
[0042]2.将得到的均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线去除弹性变形阶段，得到材料的塑性曲线。对于有屈服平台的材料，塑性曲线的开始位置选取屈服平台开始的位置；无屈服平台的曲线，塑性曲线起始位置按照工程残余应变0.2%确定，并找到对应的真应变和真应力值。
[0043]3.用hypermesh制作一个与测试样件的规格相同,在ABAQUS中按照实际测试加载的状态，包括夹头的形状，加持样件的初始位置等参数都与实际拉伸测试实物一致，模拟材料测试的过程，样件的网格形状和尺寸按照CAE仿真的实际需要确定。
[0044]4.将得到的弹性模量和均匀塑性变形阶段塑性曲线作为输入，给CAE样件模型加载，模拟单轴拉伸过程，获取均匀塑性阶段实际试验时引伸计位置的载荷-位移曲线，并与实验测得的载荷位移曲线进行比较。并通过对ABAQUS模型的网格尺寸、夹持的摩擦力等非材料本构参数进行调整，直至最终得到均匀塑性变形阶段CAE模型计算的载荷一位移曲线与试验获得的载荷一位移曲线相近。此时说明所建立的样件仿真模型与实测的数据基本无误差，说明非材料本够因素对模型的结果基本无影响，因此可以采用此模型预测整个拉伸试验过程。
[0045]5.利用式(I)和式(2)，计算拉伸全程的应力应变曲线。带入上述模型，进行拉伸过程的计算，采集与试验时引伸计相应位置的拉伸全程CAE模型的位移-瞬时截面变化曲线。
[0046]6.利用位移和瞬时截面积与试验测得的载荷-位移曲线，工程应力应变曲线和真实应力应变曲线进行比较，用相应点的载荷除以瞬时截面积，即可得到理论的等效真实应力应变曲线。
[0047]实施例二
[0048]以某汽车常用钢板(厚度选2.0，样件形状见图2，样件尺寸见表1)为例
[0049]表1单轴拉伸样件尺寸
[0050]
【权利要求】
1.一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，以静态单轴拉伸数据为基础，利用均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线验证CAE仿真模型的准确性，再通过CAE模型间接预测颈缩段的真应力-真应变曲线，得到单轴拉伸全程的等效真应力-真应变曲线。
2.如权利要求1所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，采用如下步骤: (1)测得样件的载荷位移曲线，并测量样件原始尺寸计算得到工程应力-工程应变曲线; (2)利用弹性变形阶段曲线计算弹性模量； (3)均匀塑性变形阶段，利用式(1)和式(2)转化得到真应力-真应变曲线，式(I)σ t=σ e (l+εe)，式(2) ε t=ln(l+ ε e)； (4)将得到的均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线去除弹性变形阶段，得到材料的塑性曲线； (5)验证CAE仿真模型的准确性； (6)利用式(I)和式(2)，计算拉伸全程的应力应变曲线，带入步骤(5)中所述模型，进行拉伸过程的计算； (7)利用位移和瞬时截面积与试验测得的载荷-位移曲线，工程应力应变曲线和真实应力应变曲线进行比较，用相应点的载荷除以瞬时截面积，即可得到理论的等效真实应力应变曲线。
3.如权利要求1或2所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(1)中，根据单轴拉伸国家标准GB/T228标准，通过加载引伸计，测得样件的载荷位移曲线，并测量样件原始尺寸计算得到工程应力-工程应变曲线。
4.如权利要求3所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，根据金属材料单轴拉伸试验标准GB/T228，引伸计初始长度选取80mm，测得样件的载荷位移曲线，通过测量试验的原始截面积，计算得到工程应力-工程应变曲线。
5.如权利要求2-4中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(2)中，利用弹性变形阶段曲线，按照GB/T22315计算得到材料的弹性模量值。
6.如权利要求2-5中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(3)中，在工程应力-应变曲线中找到工程应力的最大值，即抗拉强度，删除最大值之后曲线，保留均匀塑性变形阶段数据，利用式(I)和式(2)转化得到真应力-真应变曲线。
7.如权利要求2-6中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(4)中，对于有屈服平台的材料，塑性曲线的开始位置选取屈服平台开始的位置；无屈服平台的曲线，塑性曲线起始位置按照工程残余应变0.2%确定，并找到对应的真应变和真应力值。
8.如权利要求2-7中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(4)中，将得到的均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线去除弹性变形阶段，得到材料的塑性曲线。在工程应力应变曲线上，按照工程残余应变0.2%确定塑性曲线的起始位置，将真应变值减去塑性曲线起始应变，真应力值不变，则得到均匀塑性变形阶段的塑性曲线。
9.如权利要求2-8中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(5)中，包括如下步骤:用hypermesh制作一个与测试样件的规格相同，在ABAQUS中按照实际测试加载的状态，包括夹头的形状，加持样件的初始位置等参数都与实际拉伸测试实物一致，模拟材料测试的过程，样件的网格形状和尺寸按照CAE仿真的实际需要确定；将得到的弹性模量和均匀塑性变形阶段塑性曲线作为输入，给CAE样件模型加载，模拟单轴拉伸过程，获取均匀塑性阶段实际试验时引伸计位置的载荷-位移曲线，并与实验测得的载荷位移曲线进行比较，并通过对ABAQUS模型的网格尺寸、夹持的摩擦力等非材料本构参数进行调整，直至最终得到均匀塑性变形阶段CAE模型计算的载荷一位移曲线与试验获得的载荷一位移曲线相近，此时说明所建立的样件仿真模型与实测的数据基本无误差，说明非材料本够因素对模型的结果基本无影响，因此可以采用此模型预测整个拉伸试验过程。
10.如权利要求2-9中任一项所述的单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法，其特征在于，步骤(6)中，采集与试验时引伸计相应位置的拉伸全程CAE模型的位移-瞬时截面变化曲线。
【文档编号】G01N3/08GK103792143SQ201410049169
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】李军, 黄茁, 薛戬, 张磊, 陈云霞 申请人:奇瑞汽车股份有限公司