一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法

本发明涉及材料计算领域，具体涉及一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法。

背景技术：

1、增材制造技术能够通过逐层堆积方式直接制备复杂结构金属构件，具有近净成形、设计自由度高和材料利用率高等优点。激光粉末床熔融是金属增材制造中的重要技术路线，已广泛应用于航空航天、燃气轮机、能源装备、医疗植入物和高端装备制造等领域。

2、与传统铸造、锻造或轧制金属材料相比，增材制造金属材料在成形过程中经历快速凝固、高温度梯度、周期性熔池重叠和复杂热循环，容易形成柱状晶、强织构、熔池边界、层片组织及周期性组织结构。这些组织特征使增材制造金属材料在不同加载方向和复杂应力状态下表现出明显的各向异性。

3、对于航空发动机、燃气轮机和其他高可靠服役构件而言，材料在实际服役中通常承受复杂多轴载荷。仅通过单轴拉伸实验获得屈服强度，难以全面评价材料在复杂应力状态下的屈服行为。屈服面是描述材料由弹性阶段进入塑性阶段临界状态的重要工具，能够反映材料在多维应力空间中的屈服特征，对增材制造金属构件的结构设计、性能评价和服役安全具有重要意义。

4、现有获取材料屈服面的方式主要依赖单轴拉伸、双轴拉伸、剪切试验、胀形试验和平面应变试验等实验手段。上述方法存在多轴实验装置复杂、试验成本高、应力路径有限、难以获得完整屈服面等问题。同时，实验结果主要反映材料宏观响应，难以揭示增材制造特有组织参数对屈服面形貌的影响。

5、近年来，晶体塑性模拟方法逐渐用于预测金属材料各向异性塑性变形行为。该方法能够将晶粒取向、滑移系活动和微观组织与宏观力学响应联系起来。然而，现有方法在增材制造金属材料屈服面预测方面仍存在不足：一是部分模型采用统计生成组织或理想化组织，难以真实反映增材制造材料中的熔池边界、织构交替和组织周期特征；二是多数研究集中于单轴应力应变曲线预测，较少建立组织参数与完整多轴屈服面之间的定量映射；三是现有方法通常停留在“给定组织预测性能”的正向分析阶段，尚不能根据目标屈服面反向设计增材制造组织参数及工艺调控方向。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题提供一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法。

2、本发明采用的技术方案是：一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取增材制造组织参数，构建组织代表体积单元模型；

4、步骤2：对步骤1得到的组织代表体积单元模型进行晶体塑性模拟，得到加载路径下的应力应变响应；

5、步骤3：基于预设的屈服准则，根据步骤2得到的应力应变响应提取加载路径对应的屈服点数据；

6、步骤4：根据屈服点数据构建增材制造金属材料多轴初始屈服面，根据增材制造金属材料多轴初始屈服面提取屈服面特征参数；

7、步骤5：构建增材制造组织参数与屈服面特征参数之间的映射关系；

8、步骤6：根据映射关系反求目标增材制造组织参数，实现增材制造金属材料组织反向设计。

9、进一步的，所述步骤1中增材制造组织参数包括晶粒尺寸、晶粒形貌、织构类型、织构体积分数和组织周期参数；根据真实组织数据获取增材制造组织参数。

10、进一步的，所述步骤1中组织代表体积单元模型通过电子背散射衍射组织重构得到。

11、进一步的，所述步骤2中晶体塑性模拟采用晶体塑性有限元方法和晶体塑性快速傅里叶变换方法中的一种。

12、进一步的，所述步骤2中加载路径包括单轴拉伸加载、双轴拉伸加载和剪切加载。

13、进一步的，所述步骤4中根据屈服点数据构建增材制造金属材料多轴初始屈服面过程如下：

14、根据屈服点数据识别各向异性屈服函数参数，根据各向异性屈服函数参数构建增材制造金属材料多轴初始屈服面。

15、进一步的，所述步骤5中增材制造组织参数和屈服面特征参数之间的映射关系根据非线性拟合方法得到。

16、进一步的，所述步骤6中根据目标屈服面特征参数反求目标增材制造组织参数过程如下：

17、采用贝叶斯优化根据目标屈服面特征参数得到目标增材制造组织参数向量；

18、采用生成对抗网络根据目标增材制造组织参数向量得到目标组织微观图像；根据目标组织微观图像得到目标增材制造组织参数。

19、进一步的，所述织构类型包括<001>//bd织构、<011>//bd织构或二者的组合，bd为增材制造构建方向；组织周期参数包括增材制造过程中形成的熔池周期、片层周期、织构交替周期。

20、进一步的，所述单轴拉伸加载、双轴拉伸加载和剪切加载方向均包括以下加载方向：

21、0 °、15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 °。

22、本发明的有益效果是：

23、本发明基于增材制造金属材料，利用真实组织数据建立代表体积单元模型，能够更准确反映增材制造材料实际组织状态；通过晶体塑性模拟获得不同单轴、双轴和剪切加载路径下的屈服响应，减少复杂多轴实验需求；利用各向异性屈服函数构建连续多轴初始屈服面，能够表征增材制造金属材料在复杂应力状态下的屈服行为；通过建立增材制造组织参数与屈服面特征参数之间的映射关系，实现由组织到区负面的定量预测；根据目标屈服面反求目标组织参数，即可实现目标性能到组织的反向设计。

1.一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤1中增材制造组织参数包括晶粒尺寸、晶粒形貌、织构类型、织构体积分数和组织周期参数；根据真实组织数据获取增材制造组织参数。

3.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤1中组织代表体积单元模型通过电子背散射衍射组织重构得到。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤2中晶体塑性模拟采用晶体塑性有限元方法和晶体塑性快速傅里叶变换方法中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤2中加载路径包括单轴拉伸加载、双轴拉伸加载和剪切加载。

6.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤4中根据屈服点数据构建增材制造金属材料多轴初始屈服面过程如下：

7.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤5中增材制造组织参数和屈服面特征参数之间的映射关系根据非线性拟合方法得到。

8.根据权利要求1所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述步骤6中根据目标屈服面特征参数反求目标增材制造组织参数过程如下：

9.根据权利要求2所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述织构类型包括<001>//bd织构、<011>//bd织构或二者的组合，bd为增材制造构建方向；组织周期参数包括增材制造过程中形成的熔池周期、片层周期、织构交替周期。

10.根据权利要求5所述的一种增材制造金属材料多轴屈服面预测及组织反向设计方法，其特征在于，所述单轴拉伸加载、双轴拉伸加载和剪切加载方向均包括以下加载方向：