JC本构参数反求中的自适应微型遗传算法

提出自适应微型遗传算法,使种群的交叉和变异概率可以根据适应度的大小自我调节,该算法经过了测试函数的测试。本文以JC(Johnson-Cook)本构模型描述的高导无氧铜材料为例,集成运用该算法和有限元方法来反求JC动态本构参数。结果表明,该方法提高了收敛速度和搜索效率,能够快速地获取参数。

简论金属材料JC本构模型的精确性（英文）

通过比较JC模型预测结果与6种金属(2024-T351铝合金、6061-T6铝合金、OFHC无氧铜、4340高强钢、Ti-6Al-4V钛合金和Q235软钢)在不同应变率及温度下的实验数据,对JC本构模型的精确性进行了关键评估。为了进一步评估其精确性,采用JC本构模型和失效准则对平头弹正撞2024-T351铝合金靶板进行数值模拟,并与实验结果比较。结果表明:JC本构模型只适用于中、低应变率和温度下的Mises材料,对非Mises材料该模型预测的剪切应力-应变曲线和失效与实验结果吻合较差;同时,JC本构模型的精度随应变率和温度的提高而降低,特别是在高应变率条件下利用实验得到的动态增强因子进行相应数值模拟时,所得计算结果与弹道穿透实验结果不一致,说明其表达式(即准静态应力-应变关系×动态增强因子)是不恰当的。

航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型。结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力。

反求材料JC本构方程系数方法的改进

基于材料切削过程的有限元仿真结果和切削实验数据,提出一种采用多元函数的下山单纯形法来修正材料的本构方程系数的改进方法。该方法充分考虑材料Johnson-Cook(JC)本构方程系数的物理意义,将修正系数数目从5个(A、B、n、C、m)降低为2个(C、m),从而减少了修正过程中40%的有限元仿真工作量。将改进方法获得的45钢JC本构方程系数代入Advant Edge软件,预测出的主切削力Fc和切削推力Ft的平均相对误差分别为13.82%和10.04%,与原方法产生的误差基本相当,从而验证了所提方法的有效性和可行性。

Johnson-Cook本构模型参数敏感度分析

Johnson-Cook(JC)本构模型在金属冲击爆炸数值模拟中应用广泛,为合理地确定JC本构模型参数,基于商业有限元软件LS-DYNA,分别建立了4340钢弹体贯穿6061-T651铝靶和T-200马钉钢侵彻7075-T651铝靶的有限元模型。在验证了模型参数正确性的基础上,分别以贯穿后的无量纲相对残余速度和侵彻后的无量纲相对侵彻深度作为指标,采用单一变量法,对JC模型的主要参数进行了敏感度分析。分析结果表明,屈服强度A敏感度最高,其次是应变硬化系数B和热软化指数m,应变率硬化系数C和应变硬化指数n敏感度最低。研究结果为金属冲击爆炸数值模拟中JC本构模型参数的选取提供了参考。

B250P1低合金钢的动态力学行为及其本构模型

对B250P1低合金钢板在室温条件下进行了准静态和动态拉伸试验,应变率范围为0.003～600s-1,研究了应变率对该低合金钢动态力学行为的影响,并建立了其本构模型。结果表明：B250P1低合金钢的屈服强度、抗拉强度和流变应力均随着应变率的增加而增大,具有明显的应变率效应;基于JC本构方程给出了B250P1低合金钢本构模型参数的确定方法,经过两次修正,使误差精度提高接近40%,最大误差不超过8%,并且扩大了应变率的适用范围;修正后的JC本构方程可以很好地预测不同应变率下B250P1低合金钢的流变应力,更好地满足工程开发应用的需要。

AZ31B镁合金的本构方程建立及切削性能分析

基于Oxley提出的金属切削理论,通过外圆直角车削试验,利用Matlab软件进行数值迭代,逆向确认AZ31B镁合金Johnson-Cook(JC)本构方程的相关参数。将得到的JC模型参数利用自定义的方法导入到Advant-Edge分析软件中,通过比较试验和相同条件下模拟得到的切削力,最终确定本构参数,来描述加工材料的流动应力特性,优化镁合金切削加工中刀具的几何参数。

SiCp/2014Al复合材料的热变形行为及本构模型

在Gleeble-3180热模拟机上对碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/2014Al)复合材料进行热压缩试验,研究其在变形温度为350,400,450℃和500℃,应变速率为0.001,0.01,0.1s^(-1)和1.0 s^(-1)条件下的热变形行为。根据热压缩实验的真应变-真应力数据,在考虑应变、应变速率和变形温度对流动应力的耦合影响下构建修正的Johnson-Cook(JC)本构模型,同时建立人工神经网络模型(ANN)。结果表明:SiCp/2014Al复合材料的流变应力随应变速率的增加和温度的降低而增大。与修正的JC模型相比,ANN模型具有较低的均方根误差(0.51 MPa)和平均绝对误差(1.43%),以及较高的相关系数(0.9997),表明其对SiCp/2014Al复合材料热变形流变应力的预测具有更高的预测精度和可靠性。

HC260LAD+Z钢动态力学性能及其本构模型研究

采用静态、动态拉伸实验机器对HC260LAD+Z低合金高强钢材料进行静态、动态高速拉伸试验,对其不同应变率下的动态力学性能进行研究,针对屈服强度、流动应力进行研究。经分析,应变率的提高对HC260LAD+Z材料的屈服强度、流动应力等均有相应趋势的影响。在100/s应变率以前特定应变点对应的真应力增长幅度较大,100/s应变率以后增长趋势变缓,流动应力曲线也呈现相同趋势。另外,基于JC本构方程拟合了HC260LAD+Z低合金高强钢本构模型参数,发现拟合曲线与实验曲线差别较大。提出了一种经过修正的JC本构方程,通过拟合D值指数函数参数,使得修正后的JC本构方程拟合精度得到了提升。经验证,修正后的JC本构拟合曲线与实验曲线趋势一致,屈服点与饱和应力值均相差不大,能够满足工程开发需要。

基于混合数值算法的车用钢材料参数反求

为进一步提高汽车碰撞仿真的准确性,深入研究了车用高强钢材料的本构模型,采用实验与有限元仿真混合数值算法,提出了基于多岛遗传算法(MIGA)的反求材料本构模型的参数。数据显示试验结果与优化的参数结果有着较高的一致性,能够准确反映在动态冲击载荷下的材料的流变行为,从而提高台车碰撞仿真精度。为汽车结构碰撞研究提供精确的仿真基础,具有一定的指导意义。

考虑应变、应变率和温度耦合作用下航空不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb本构模型的建立

航空不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb具有优良的特性,广泛应用在各个机械的重要零部件上,零件的加工过程伴随着大应变、高温和高应变率,基于此考虑耦合关系建立能够真实反映切削力学性能的本构模型,为切削仿真提供可靠的数据。以航空不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb为研究对象,利用万能试验机(UTM5305)和高温分离式霍普金森试验装置(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB,ALT1000)分别进行准静态压缩试验(温度为25℃,应变率为0.1、0.01、0.001s^(-1))和动态冲击试验(温度为25、350、500、650℃,应变率为750、1500、2000、2600、3500、4500 s^(-1)),获得该材料的应力应变关系,并分析其力学性能,结果表明该材料具有应变硬化效应、温度软化效应、应变率强化效应和增塑效应。综合应变、应变率和温度三者相互作用,建立耦合作用下的Johnson-Cook(JC)本构方程,统计分析了试验数据与预测数据(原JC本构方程和修正JC本构方程数据),原JC本构方程的相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.96833和4.77%;修正JC本构方程的相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为0.987513和0.51%,表明修正JC本构方程更加准确、可靠预测高应变率下应力应变的关系。

基于神经网络预测钨合金冲击载荷下的流动应力

为建立能有效预测流动应力的神经网络结构,使用霍普金森压杆设备对钨合金圆柱试样进行不同载荷下的冲击实验,获取应变率为2200、3100、4000、4500、5300 s^(-1)及初始温度为25、300、500℃等共15种工况下的应力应变曲线。使用其中12组工况下的数据,以应变、应变率、初始温度作为输入量,流动应力作为输出量,在MATLAB中设计并测试具有不同结构的神经网络的预测能力,其中以Tansig函数作为激活函数的3-6-6-1网络结构具有最好的预测能力。借助统计学参数衡量JC本构方程和所建立神经网络的预测能力,与JC本构方程相比,所建立网络的预测能力更强,其与实验数据平均绝对相对误差仅为0.4209%。此外,通过对剩余3种工况下流动应力的预测证明了网络具有良好的泛化能力。

W颗粒增强Ti基金属−金属复合材料的准静态和动态力学行为

Ti基金属−金属复合材料具有良好的强度和塑性等综合性能。采用扫描电子显微术(SEM)、X射线衍射(XRD)、材料力学性能试验、分离式霍普金森压杆(SHPB)、MATALAB软件等分析技术研究了W颗粒增强Ti基金属−金属复合材料(Ti-W)在准静态和动态下的力学行为。结果表明:Ti-W复合材料具有β-Ti相和β-W相组成的双相异质结构;当W元素含量大于25%(摩尔分数)时,组织中析出细小的富W相。Ti-W复合材料在准静态下的最高屈服强度和极限强度可达1567 MPa(Ti-30W)和1726 MPa(Ti-30W);动态下最高屈服强度和极限强度可达2148 MPa(Ti-15W)和2908 MPa(Ti-30W)。因此,Ti-W复合材料具有明显的应变速率强化效应。比较了改进的Johnson-Cook(JC)本构模型和Back-Propagation(BP)神经网络模型对Ti-W复合材料力学行为的适用性,发现BP神经网络能更好地描述Ti-W复合材料在准静态和动态下的力学行为。

高应变率下06Cr19Ni10奥氏体不锈钢Johnson-Cook本构模型研究

为了探讨06Cr19Ni10奥氏体不锈钢在大应变和高应变率下成形的流动规律,借助高温分离式霍普金森(High Temperature Split Hopkinson Pressure Bar)动态试验装置,进行不同温度和应变率冲击试验。分析试验数据表明,该材料具有增塑、应变率强化和温度软化现象,并建立了Johnson-Cook本构模型。考虑应变率强化效应,依据试验数据进行了JC本构模型的修正,对比修正前后模型预测值和试验值,吻合程度好。运用统计分析,对比修正前后模型的相关系数(R)和平均相对误差(AARE),修正前、后相关系数(R)分别为0.96388、0.97054;修正前、后平均相对误差(AARE)分别为5.63%、4.68%,修正后的模型预测精度优于修正前。结果表明,修正后的模型可以更加精确预测06Cr19Ni10奥氏体不锈钢应力与应变、应变率和温度的关系。