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有限元分析基礎_金屬材料拉伸試驗參數標定

內容概要

“先利用有限元軟件ansysworkbench輸出一組應力-應變曲線,假設該曲線是通過試驗得到,再轉換為真實應力應變,根據真實應力應變曲線利用excel軟件進行曲線擬合操作,獲得材料本構模型的相關參數”。

主要涉及以下知識點:

(1) 工程應力-應變與真實應力-應變的轉換;

(2) 利用excel對應力-應變曲線進行線性擬合的方法;

(3) 利用excel對應力-應變曲線進行John-cook1塑性本構模型擬合的方法(按指定方程關系進行擬合);

(4) 擬合決定系數的R2相關公式介紹;

(5)利用excel的規劃求解功能求解指定方程變量系數的方法

01

建模
按下圖建模,厚度2mm。

02


 網格

在ansysworkbench中劃分網格。


03


邊界設置
左端固定約束,右端加載位移30mm。

04


材料參數


塑性階段為john-cook強度模型,具體參數如下圖。


05


仿真結果

可以看出,應變最大約為0.25時,發生斷裂,與定義的最大塑性應變失效值0.25一致。




06


輸出應力應變曲線

這里假設輸出的應力應變-應變曲線是通過試驗測試得到的。


07


求解真實應力應變
假設仿真有限元輸出的應力-應力應變關系是通過試驗獲取(工程應力應變),再根據真實應力應變與工程應力應變關系獲取真實應力應變的值;真實應力應變與工程應力的關系式如下:

σt=σe(1+εe)

εt=ln(1+εe)

式中:σt—真實應力,單位MPa

σe—工程應力,單位MPa

εt—真實應變,無單位。

εe—工程應變,無單位。

將數據導入到excel表格中,采用散點圖對數據進行如下處理。



08


求解真實應力應變

首先要選定材料本構模型,按照模型公式進行相應的擬合。
舉例:按照雙線性各項同性強化本構進行數據擬合,在excel中將數據分成彈線階段和塑性變形階段,擬合以后的公式如下所示。
可以看出,彈線變形階段,彈性模量為211.39GPa,塑性變形階段,切線模量為155.3GPa,屈服強度311.55Mpa。


09


 John-cook強度塑性擬合案例

本案例材料塑性模型為john-cook強度模型,可輸出中間段某一點的應力-應變曲線;輸出的結果點數應足夠多,否則會影響后續擬合的準確度。
以下為輸出的中間段某一點的應力-應變曲線(100組數據),假設該應力-應變曲線通過試驗獲取;通過在excel中擬合曲線方式確定john-cook強度模型的參數a、b、n。


在excel中,利用規劃求解功能對數據進行擬合求解。具體求解結果如下:
a=296MPa,b=597MPa,c=0.684,數據擬合的決定系數R2為0.998,擬合效果滿足一般工程精度需求。


在excel中具體擬合過程如下:

a) 簡化John-cook強度公式
John-cook強度公式:

 式中:σ—應力,單位Pa,常用MPa。

        σp—塑性應變,無單位。

        a—初始屈服應力,單位MPa。

        b—硬化常數,無單位。

        n—硬化指數,無單位。

        c—應變速率常數,無單位。

        m—熱軟化指數,無單位。

        T—當前溫度,單位℃。

        Tr—參考溫度,單位℃。

Tm—材料融化溫度,單位℃。

本例中不考慮溫度、應變率的影響,則公式可簡化為:

根據簡化的John-cook強度公式,設定a、b、c初始值為1,計算塑性應變下的擬合應力值。

b) 計算R2值。
    根據公式:

式中:R2—決定系數。

SSe—殘差平方和。

SSt—總平方和。

yi—擬合點的值。

 

—擬合點的平均值。

fi—目標函數的值。

在excel中確定各參數關系。


  1. c)  利用規劃求解功能確定參數

R2值設定為規劃目標;目標值設置為1;a、b、c值設置為可更改的單元格,限制n為大于0的數值。多次點擊求解直到R2值不發生改變。

d) 結果評估
求解得到的a=296MPa,b=597MPa,c=0.684,;與仿真前輸入到系統中的值300MPa、600MPa、0.7較為接近,數據擬合基本滿足工程求解精度需求。
擬合出的數據為材料的真實參數,可用于有限元仿真的材料本構模型定義。

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