(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211011201.2 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 林艳丽　何祝斌　凡晓波　苑世剑　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的 确定方法 (57)摘要 本发明属于管材塑性加工技术领域， 公开了 一种薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定 方法。 基于能反映管材面内任意方向各向异性塑 性流动特性的管材拉深试验， 利用有限元仿真， 结合优化算法， 逆向确定薄壁管各向异性塑性本 构模型参数。 本发明的方法能确定准确的薄壁管 各向异性塑性本构模型； 能准确获得薄壁管非主 轴方向的各向异 性系数 解决薄壁管非主轴方 向的各向异性系数测定难题； 实验原理简单， 试 样保持管坯的初始圆弧形状， 不会引入额外预应 变引起额外误差； 可用于确定各种各向异性薄壁 管的塑性本构模型， 适用范围广泛； 所确定的薄 壁管非主轴方向的各向异性系数 可为管材性 能评价提供一种有效的手段。 权利要求书2页 说明书9页 附图7页 CN 115372140 A 2022.11.22 CN 115372140 A 1.一种薄壁管 各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特 征在于， 步骤如下： 步骤一、 从待测薄壁管上沿轴向截取单向拉伸试样并进行单向拉伸试验以确定薄壁管 的均匀延伸率 η、 轴向厚向异性系数rz和轴向单拉流动应力 ‑应变关系曲线； 步骤二、 从待测薄壁管上裁切管材拉深试样， 管材拉深试样展平后为圆板， 管材拉深试 样沿管材环向的最大长度H不大于待测薄壁管截面周长的一半； 步骤三、 根据步骤一中确定的薄壁管的均匀延伸率η和步骤二中管材拉深试样的形状 和尺寸， 设计管 材拉深模具， 包括凹模A、 凸模C和压边圈B的形状和尺寸； 步骤四、 利用步骤三设计的管材拉深模具对步骤二中的管材拉深试样进行拉深实验； 拉深实验时使凹模A与凸模C型腔中心线重合， 将管材拉深试样 置于凹模A的上方， 在管材拉 深试样上方放置压边圈B， 调整压边圈B和凹模A之间的间隙至管材拉深试样不起皱， 并保持 此间隙在拉深过程中不变， 使凸模C向凹模A移动， 管材拉深试样逐渐拉深进入凹模A中直至 实验结束； 步骤五、 取出步骤四中拉深 实验后的试样， 并对试样轮廓形状进行测量和分析， 记录拉 深后试样沿圆周的筒壁高度为hei， 并依据hei的分布定性判断薄壁管面内各向异性特性， 给 出薄壁管面内各向异性特性的定性结果； 步骤六、 根据步骤五中给出的薄壁管面内各向异性特性的定性结果选择薄壁管所匹配 的塑性本构关系模型 结构类型， 记为g( σij)， σij为薄壁管面内的应力分量； 步骤七、 按照步骤二、 步骤三中确定的管材拉深试样、 管材拉深模具形状和尺寸， 建立 有限元仿真模型， 仿真实验材 料的塑性 性能为步骤一中单拉流动应力 ‑应变关系曲线； 步骤八、 选择自带有步骤六中确定的塑性本构关系模型的有限元仿真软件， 或将步骤 六中确定的塑性本构关系模型编写成子程序， 嵌入到有限元仿真软件中， 并对确定塑性本 构关系模型中未知系数用到的待定性能参数 取初值； 步骤九、 对步骤七、 步骤八中建立的有限元仿真模型进行管材拉深 实验的有限元仿真， 并记录仿真后试样沿圆周的筒壁高度为hfi； 步骤十、 将步骤九中仿真获得筒壁高度hfi与步骤五中实验获得筒壁高度hei进行对比， 如果满足 其中， n为沿拉深后 试样一周所取的实验数据的个数； 则所取 的初值即为薄壁管真实的材料性能数据， 反之， 如果不满足上述关系， 即 则改变步骤八中待定性能参数 的取值， 记为 k为改变待定性能参数 的次数， 并再次 进行有限元仿真计算， 并对应记录仿真后试样沿圆周的筒壁高度为hfi， 直至满足关系式 步骤十一、 记录满足关系式 的最后一次仿真的材料性能参数 为 即为薄壁管真实的材料性能数据， 下角标中字母N表示改变性能参数 重复进权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115372140 A 2行有限元仿真 的次数； 并进一步根据Drucker流动准则确 定步骤六中塑性本构关系模型的 未知系数， 给 出塑性本构关系模型g( σij)的具体表达式。 2.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特征在于， 步骤五中， 薄壁管面内各向异性特性的定性结果的判定如下： 第一种情况， 若拉深后的拉深试样边缘光滑， 从轴向至环向的筒壁高度hei单调递减， 则 说明管材面内各个方向的厚向异性系 数相差不大， 无明显的极大值或极小值， 原始管坯近 似为各向同性， 即r45＝rθ＝rz,其中， r45为与管材轴向夹角为45 °的厚向异性系数； rθ为管材 环向的厚向异性系数、 rz为管材轴向的厚向异性系数； 第二种 情况， 若拉深后的拉深试样在 轴向和环向之间的方向即与轴向呈45度角方向的筒壁高度hei出现极大值， 则r45＞(rz+rθ)/ 2； 第三种情况， 若拉深后的拉深试样 沿轴向和环向的筒壁 高度hei出现极大值,则r45＜(rz+ rθ)/2。 3.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特征在于， 步骤六中， 塑性本构关系模型结构类型按照如下方式选择： 当沿环向一周的筒壁高度出现2～4个 明显的峰值时， 选择含有一个剪应力待定系 数塑性本构关系模型； 当沿环向一周的筒壁高 度出现4个以上明显的峰值时， 选择含有两个或两个以上剪应力待定系 数塑性本构关系模 型。 4.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特征在于， 步骤八中， 参数 的初值选择依据步骤五的定性结果， 第一种情况时， 的初值取为r45(0)＝ rθ(0)＝rz， 其中rz为步骤一中测量的结果； 第二种情况时， 的初值取值为rθ(0)＝rz、 r45(0) ＝κ·rz， 其中rz为步骤一中测量的结果， κ 为初值系数， κ ∈[1.1,2.0]， 若45度方向的筒壁高 度he(45°)的极大值小于等于 其中he(z)为轴向的筒壁高度， he( θ )为环向的筒壁 高度， 则κ 取1.1； 若45度方向的筒壁高度he(45°)的极大值大于等于 则κ 取2.0， 其他视情况取[1.1,2.0]区间的中间值； 第三种情况时， 的初值取值为rθ(0)＝rz、 r45(0)＝ κ·rz， 其中rz为步骤一中测量的结果， κ 为初值系数， κ ∈[0.2,0.9]， 若环向的筒壁高度he( θ ) ≤1.1he(45°)， 则κ 取0.9， 若he( θ )≥1.5he(45°)， 则κ 取0.2， 其他视情况取[0.2,0.9]区间的中间 值。 5.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特征在于， 步骤十中， δ 为 最大误差的取值， 取0.08。 6.根据权利要求1所述的薄壁管各向异性塑性本构模型参数的确定方法， 其特征在于， 步骤一中， 所述的待测薄壁管为金属管坯， 为铝合金、 低碳钢、 高强钢、 镁合金、 硬质合金或高温合 金。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115372140 A 3