1~3,重復(fù)下標(biāo)遵循 愛因斯坦求和約定。 參數(shù)k、K、Ii1、B、C、D、E是與溫度相關(guān)的材料參數(shù)，定義如下： k = k〇exp (Qk/RT) (12) K = K〇exp (QK/RT) (13) Ii1= n 10exp (Qn/RT) (14) B = B〇exp (Qb/RT) (15) C = C〇exp (-QC/RT) (16) D = D〇exp (Qd/RT) (17) E = E〇exp (Qe/RT) (18) 式中：R為通用氣體常數(shù)；T為溫度；Q為激活能。 (2)確定本構(gòu)方程中的材料參數(shù)： 首先，建立求解問題的目標(biāo)函數(shù)，然后對目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用進(jìn)化規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化，最終確 定本構(gòu)方程中的材料參數(shù)，這里，需要確定的材料參數(shù)總共有20個，依次為：Α、η2、γ p γ2、 k〇、η〇、Κ〇、Πι〇、B〇、C〇、D〇、E〇、Qji' Qk、Qn、Qb、Qc、Qd、Qe、R〇 根據(jù)擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的距離建立目標(biāo)函數(shù)：式中：f (X)是關(guān)于20個未知材料參數(shù)所構(gòu)成矢量X = (A, n2, ...，Qe, R)的實(shí)值函數(shù)； η為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總?cè)萘?Wl為第i數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重值；4分別為第i個試驗(yàn)數(shù)據(jù)對應(yīng) 的應(yīng)力和應(yīng)變值；》f，<分別為與第i個試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的擬合曲線上的應(yīng)力和應(yīng)變值 (< =?/<，<=<(<))，為使擬合曲線應(yīng)變區(qū)間向試驗(yàn)數(shù)據(jù)收斂，將< 加入f(x) 得到：式中：W為權(quán)重系數(shù)； 為降低實(shí)際使用過程中確定權(quán)重值的難度及克服應(yīng)力應(yīng)變單位不一致的問題，最終建 立的目標(biāo)函數(shù)如下：采用改進(jìn)的快速進(jìn)化規(guī)劃算法對建立的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定全部材料參數(shù)，進(jìn)化 規(guī)劃算法把目標(biāo)函數(shù)作為生物種群，通過突變，選擇產(chǎn)生新一代種群；重復(fù)這一過程，直到 獲得合乎要求的種群或規(guī)定的進(jìn)化時限，詳細(xì)的進(jìn)化規(guī)劃是一個迭代的過程： [1] 取迭代計(jì)數(shù)k= 1，隨機(jī)生成μ個種群，即隨機(jī)輸入μ組矢量對（Xl，Il1)，其中n 進(jìn)化規(guī)劃自適應(yīng)策略參數(shù)，i = 1，2, 3, . . .，μ ; [2] 對于每個個體矢量對（Xl，Il1),計(jì)算f (X1); [3] 對于每個父代矢量對（Xl，Il1),生成兩個子代矢量對(?)和(?)，其中：計(jì)算并比較/(X,1G))和/(彳(力）的大小，取兩者較小者所對應(yīng)的矢量對，記為 U1 ,, n r J，其中 xjj)，x、(j)，njj)，τΓ 山·）分別為矢量 X1, ^ n ^ V 滿 第j個分量（j = 1，2,. . .，η，η為待優(yōu)化材料參數(shù)的個數(shù)）;Ν(0, 1)為服從一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分 布的隨機(jī)數(shù)；％(0, 1)為服從一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布對應(yīng)于第j個分量的隨機(jī)數(shù)；δ ,為服從柯西分布對應(yīng)于第j個分量的隨機(jī)數(shù)；參數(shù)τ 1和τ分別取 ，:標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布 和柯西分布的密度函數(shù)分別為：[4] 對于所有的i = 1，2,3，...，μ，將所有的父代矢量對（Xl，Il1)和子代矢量對 (x< J作為一個整體，取出q個矢量對，然后，將所有父代和子代矢量對中的任意一 個矢量對與取出的q個矢量對作比較，比較矢量對所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，如果該矢量對小 于q個矢量對中的某一個，則該矢量對得分加1，所有矢量對的最高得分為q，最低得分為 〇 ； [5] 從2μ個矢量對中選出得分最高的μ個矢量對，作為下一次迭代的父代矢量對； [6] 判斷迭代結(jié)束條件是否滿足；如不滿足，則k = k+Ι，并重復(fù)上述過程。 (3)損傷本構(gòu)方程的軟件實(shí)現(xiàn) 利用Fortran語言將已確定材料參數(shù)的成形損傷本構(gòu)方程編寫為Ls-dyna用戶自定義 材料子程序，通過用戶自定義材料子程序接口嵌入到有限元軟件Ls-dyna中。 步驟二、車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形模擬，具體過程為： 1) 利用Hypermesh有限元軟件建立車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形仿真模型，模型中的對 象包括板料（6)、凸模（4)、凹模（7)及壓邊圈（5); 2) 分別為模型中各對象賦予截面屬性和材料特性，所有對象均采用殼單元截面屬性， 并在其中定義各對象的厚度t，而凸模（4)、凹模（7)及壓邊圈（5)采用剛體物理材料，并在 其中定義各對象的密度P、彈性模量E及泊松比u，而板料（6)則采用上述基于成形損傷 的用戶自定義物理材料，且所有對象均采用各向同性熱材料，并在其中定義各對象的比熱 容HC及熱傳導(dǎo)系數(shù)TC ; 3) 設(shè)置模型中各對象間的接觸關(guān)系，定義各對象具有的溫度場、運(yùn)動特性、約束條件及 模型計(jì)算所需的控制卡片； 4) 利用Ls-dyna軟件求解車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形仿真模型，得到成形后的零件模 型及其成形損傷云圖和厚度分布云圖。 步驟三：車身高強(qiáng)度抗撞零件抗撞性能仿真評估： 1)力學(xué)使用特性數(shù)據(jù)庫 (1)材料高溫?fù)p傷試驗(yàn) 利用Ls-dyna軟件對試件（2)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，整個試件（2)采用殼單元截面屬性，并在 其中定義其厚度t，采用考慮成形損傷的用戶自定義物理材料及各向同性熱材料，并在其中 定義其比熱容HC及熱傳導(dǎo)系數(shù)TC，同時，在試件（2)中間區(qū)域定義1。= 25mm長的均溫段， 在該段內(nèi)施加恒定溫度場，而在該段左右兩側(cè)區(qū)域則按照實(shí)際試驗(yàn)中試件（2)溫度分布施 加相應(yīng)的溫度場，虛擬試驗(yàn)時，約束試件（2)左端節(jié)點(diǎn)的全部6個自由度，在右端施加沿軸 向隨時間變化的強(qiáng)制位移，確保均溫段以恒定的應(yīng)變率進(jìn)行變形，試驗(yàn)中使均溫段取典型 的試驗(yàn)條件：成形溫度750°C，變形應(yīng)變率0.1 s ^在該條件下，進(jìn)行一系列虛擬試驗(yàn)，使均 溫段內(nèi)單元的成形損傷值分別達(dá)到目標(biāo)成形損傷值〇, <Μ，α2,......，αη，即得到一系列 均溫段具有不同成形損傷值的拉伸后試件（8)，并分別測出每一試件（2)均溫段長度的變 化值。，域:α'.'' 域"…，A/內(nèi) ρ 利用試驗(yàn)機(jī)對試件（2)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，實(shí)際試驗(yàn)條件與虛擬試驗(yàn)相同，試驗(yàn)中利用CCD 攝像機(jī)（3)進(jìn)行拍攝，并通過ARAMIS光學(xué)變形系統(tǒng)實(shí)時反饋試件（2)均溫段的變形量，當(dāng) 各試件（2)均溫段長度變化分別達(dá)到0, Δ/^ΔΙ，·.·…,Δ/""時，停止拉伸，此時，實(shí)際試驗(yàn)中 均溫段處材料達(dá)到與虛擬試驗(yàn)中同等損傷程度，試驗(yàn)中同一均溫段長度變化值重復(fù)m次試 驗(yàn)。隨后，對各試件（2)均溫段快速淬火冷卻至室溫，即得到一系列均溫段具有不同成形損 傷值的淬火后馬氏體相的拉伸后試件（8 )。 (2) 試件加工 對材料高溫?fù)p傷試驗(yàn)中獲得的一系列淬火后的拉伸后試件（8)進(jìn)行線切割加工，得到 用于材料室溫單向拉伸試驗(yàn)所用子試件（9)，隨后，用細(xì)砂紙對所有子試件（9)各表面進(jìn)行 輕微打磨，去除上面的氧化皮，并記錄打磨后各子試件（9)標(biāo)距段的最小截面積，作為下述 材料室溫單向拉伸試驗(yàn)中子試件（9)標(biāo)距段的原始橫截面積A。。 (3) 材料室溫單向拉伸試驗(yàn) 利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對材料高溫?fù)p傷試驗(yàn)中獲得的均溫段具有不同損傷值的子試件 (9)進(jìn)行m種不同服役應(yīng)變率的單向拉伸試驗(yàn)，所有子試件（9)均在室溫下拉伸直至斷裂， 整個拉伸過程中試驗(yàn)機(jī)會記錄載荷隨時間變化的曲線F (t)，并將其按照公式（1)換算為子 試件（9)的名義應(yīng)力隨時間變化的曲線〇 _(t)，而采用拉伸引伸計(jì)測出子試件（9)的標(biāo)距 段長度隨時間變化的曲線AL(t)，并將其按照公式（2)換算為子試件（9)的標(biāo)距段名義應(yīng) 變隨時間變化的曲線e_(t)，按照公式（3)將子試件（9)的名義應(yīng)力隨時間變化的曲線 〇_(t)換算為子試件（9)的真實(shí)應(yīng)力隨時間變化的曲線〇t_(t)，按照公式（4)將子試件 (9)的標(biāo)距段名義應(yīng)變隨時間變化的曲線ε _(t)換算為子試件（9)的標(biāo)距段真實(shí)應(yīng)變隨 時間變化的曲線et_(t)，并消去兩曲線中的時間變量t，以真實(shí)應(yīng)變?yōu)樽宰兞浚鎸?shí) 應(yīng)力為因變量，得到每一試件（9)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線σ 。最終，得具有 不同成形損傷值、不同服役應(yīng)變率的試件（9)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線〇 t_( ε t_)，用于建 立下述考慮成形損傷的服役本構(gòu)方程。 2)建立考慮成形損傷的服役本構(gòu)方程 建立考慮成形損傷的服役本構(gòu)方程，具體表達(dá)式如下：L/1N 丄 丄 OUUOO Λ I，、 1 ·* I- υ/ ? χ式中：F是服役時的等效塑性應(yīng)變率；σ是服役時的等效應(yīng)力；服役損傷變量 fd2，其變化范圍為〇~1，fd2= 〇時表示服役時材料沒有服役損傷，fd2= 1時表示 服役時材料完全失效；與為服役時的塑性應(yīng)變率分量；Ss 為服役時的偏應(yīng)力分量； A=(A-A,_)/.A,"，Psl為服役前材料的位錯密度，p sni為服役時材料可達(dá)到的最大位錯 密度，且P S1彡P(guān) # P s"，即〇 ，。s U是服役時的應(yīng)力張量分量；4是服役時的總 應(yīng)變張量分量；4是服役時的塑性應(yīng)變張量分量；Ds 1]kl是四階剛度張量分量；L是楊氏模 量；υ是泊松比；δ 為克羅內(nèi)克因子，下標(biāo)i、j、k、1變化范圍為1~3,重復(fù)下標(biāo)遵循愛 因斯坦求和約定。 參數(shù)y、Y、F、G、L、βρ β2、β3、γ5、丫6是與成形損傷相關(guān)的材料參數(shù)，定義如下：確定考慮成形損傷的服役本構(gòu)方程中材料參數(shù)及服役本構(gòu)方程軟件實(shí)現(xiàn)所用的方法 與建立基于成形損傷本構(gòu)方程時所用的方法完全相同，而這里，需要確定的材料參數(shù)總共 有 25 個，依次為：Z、y 3、y 4、y 7、nc、y〇、Y。、F。、G。、L。、β 1Q、β 2。、β 3。、y 5。、y 6。、Wy、WY、WF、 H%、心。 3)車身高強(qiáng)度抗撞零件虛擬試驗(yàn) (1) 利用Hypermesh軟件建立車身高強(qiáng)度抗撞零件虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，虛擬壓潰試驗(yàn)?zāi)Ｐ?中的對象包括：剛性壁障（10)、壓潰薄壁抗撞零件（11);虛擬彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膶ο蟀ǎ?1號剛性圓滾（12)、彎曲薄壁抗撞零件（13)、2號剛性圓滾（14)、3號剛性圓滾（15); (2) 分別為模型中各對象賦予截面屬性和材料特性，所有對象均采用殼單元截面屬性， 抗撞零件的厚度分布繼承熱成形后零件的厚度分布，剛性壁障（10)及所有剛性圓滾均采 用剛體物理材料，并在其中定義各對象的密度P、彈性模量E及泊松比υ，而壓潰薄壁抗 撞零件（13)和彎曲薄壁抗撞零件（13)則采用考慮成形損傷的用戶自定義服役本構(gòu)物理材 料； (3 )設(shè)置模型中各對象間的接觸關(guān)系，定義各對象的運(yùn)動特性、約束條件及模型計(jì)算所 需的控制卡片； (4)利用Ls-dyna軟件求解車身高強(qiáng)度抗撞零件虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停敵隹棺擦慵S時間 變化的變形趨勢云圖、接觸力曲線及吸能量曲線，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)值進(jìn)行對比，以確認(rèn)該抗撞 零件是否符合設(shè)計(jì)要求。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮成形損傷的抗撞零件仿真設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的車身高強(qiáng)度抗撞零件仿真設(shè)計(jì)時忽略零件不同部位成形損傷繼承特性所導(dǎo)致的后續(xù)仿真計(jì)算精度不足及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問題，步驟為：建立車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形損傷準(zhǔn)則；車身高強(qiáng)度抗撞零件熱成形模擬；車身高強(qiáng)度抗撞零件抗撞性能仿真評估。本方法綜合考慮了成形溫度、成形速率、摩擦等因素的零件仿真成形后的“成形損傷值”作為零件抗撞性能評估時考慮的因素，顯著提高了后續(xù)仿真計(jì)算的精度，減少了反復(fù)修改的次數(shù)，確保了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，大大降低了抗撞零件仿真設(shè)計(jì)的難度以及對設(shè)計(jì)人員的要求。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105160066
【申請?zhí)枴緾N201510472217
【發(fā)明人】莊蔚敏, 解東旋, 李冰嬌, 王楠, 王志勇, 胡哲, 張凱希, 敖文宏, 劉西洋, 楊冠男
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月5日