一种高温合金本构参数逆向识别方法及模型

技术特征：
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
svs
，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waldorf’s滑移线场模型修正切削力的过程如下：
滑移线场的几何角度θ
plow
、γ
plow
、η
plow
根据几何和摩擦关系由式(20)～(22)计算：根据几何和摩擦关系由式(20)～(22)计算：η
plow
＝0.5
·
cos-1
(μ
plow
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)式中，ρ
plow
为由于刃口钝圆半径引起的未加工凸起部分与水平面的夹角；μ
plow
为金属死区摩擦因子，在死区接触部位，剪应力接近于切屑的流动应力，取0.99；扇形区半径r由式(23)计算：犁耕力由式(24)、(25)计算：犁耕力由式(24)、(25)计算：p
c
为切向梨耕力，p
t
为法向梨耕力；综合考虑刃口钝圆半径与进给量的影响，ρ
plow
＝20
°
；其中τ
s
为材料的屈服应力；基于waldorf理论，正交切削过程中的切削力为切屑成形力和梨耕力的总和，切屑成形力由式(26)、(27)计算：f
c
＝f
c-p
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)f
t
＝f
t-p
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)式中，f
c
为实验测得的主切削力，f
t
为实验测得切深抗力；将以上计算得到的切削成形力带入oxley模型中计算得到主剪切面ab上的平均剪切应力、平均剪切应变和平均剪切应变速率，然后利用利用米塞斯屈服准则，由式(28)计算得到等效应力σ
ab
、等效应变ε
ab
和等效应变速率和等效应变速率7.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，拟合参数a、b、n的过程如下：j_c本构模型中的应变强化、应变速率强化和温度软化项相互独立；对于应变强化参数，将室温下准静态压缩试验应力应变关系带入j_c本构模型获得，取t＝t
room
＝20℃，此时j_c本构模型由式(1)转变为式(29)：
式中，σ为等效流动应力，ε为等效塑性应变，为等效塑性应变速率，为参考应变速率，t为材料温度，t
r
为参考温度，通常定为室温，t
m
为材料的熔点；五个模型常数a、b、c、n、m分别表示材料初始屈服强度、硬化模量、应变硬化指数和应变率敏感系数和热软化系数；σ＝a bε
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)基于准静态压缩试验得到真应力应变曲线；高温合金材料没有明显的屈服点，取应变为0.002时对应力作为屈服应力，a、b和n由准静态压缩实验得到的应力应变曲线计算得到；对式(29)两边取对数可得：ln(σ
–
a)＝n lnε lnb；对试验数据的拟合，得到了ln(σ
–
a)随lnε的变化曲线，曲线的斜率为n，截距为lnb；通过计算得到a、b、n的值。8.根据权利要求7所述的高温合金本构参数逆向识别方法，其特征在于，应变硬化指数c和热软化系数m的优化过程如下：使用基于遗传算法的最小二乘法来搜索j_c本构模型中的最优匹配参数c、m；以切削力和切屑厚度作为输入数据，基于oxley模型和waldorf’s滑移线场模型计算出剪切面ab的等效应力σ
ab
、等效应变ε
ab
、等效应变速率和平均温升t
ab
，结合由准静态压缩试验获得的参数a、b、n的值；遗传算法通过均匀划分各参数的搜索空间生成第一批可能的解，然后通过j_c本构模型常数的随机组合生成个体，即可计算出j_c本构模型的流动应力σ
cal
及流动应力的实验值σ
exp
，根据最小二乘法的定义将流动应力σ
cal
与σ
exp
的比值与1作差，然后将其平法的平均值和作为适应度值，采用最小二乘法建立c、m的优化模型，如式(30)所示：find:(c，m)find:(c，m)式中，n为切削实验组数，e为适应度值。9.一种基于权利要求1-8任一项所述的高温合金本构参数逆向识别方法所得的正交切削有限元模型，其特征在于，所使用的高温合金为inconel 718；有限元模型如式(31)所示：718；有限元模型如式(31)所示：式中，σ为等效流动应力，ε为等效塑性应变，为等效塑性应变速率，t为材料温度。

技术总结
本发明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


技术研发人员：田鹏飞 何林 周滔 杜飞龙 邹子川 周小容
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/6/14