(19)中华 人民共和国 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 202111643442.4 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 章海明　马宏越　李杨齐　崔振山　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 代理人 赵志远 (51)Int.Cl. G06F 30/25(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实 验方法和装置 (57)摘要 本发明涉及一种金属材料各向异性力学行 为的虚拟实验方法和装置， 方法包括： 根据待实 验金属材料的电子背散射衍射实验结果构建微 观组织代表体元模型； 指定变形数量和变形程 度， 通过随机数生成器生成任意周期性边界条 件； 根据微观组织代表体元模型和任意周期性边 界条件进行全场晶体塑性模拟， 提取微观组织代 表体元模型在指定变形程度下的屈服应力点， 从 而通过信赖域算法拟合屈服函数参数； 提取微观 组织代表体元模型在周期性边界条件下应力三 轴度和罗德参数随等效应变变化的历史， 从而通 过信赖域算法拟合断裂模型参数。 与现有技术相 比， 本发明以虚拟实验替代传统力学实验， 以此 缩短了金属材料产品的研发周期， 并减少了人力 物力财力的浪费。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114372403 A 2022.04.19 CN 114372403 A 1.一种金属材 料各向异性力学 行为的虚拟实验方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 根据待实验金属材料的电子背散射衍射实验结果构建该待实验金属材料的微观组织 代表体元模型； 指定任意周期性边界条件的数量和微观组织代表体元模型在任意周期性边界条件的 变形程度， 通过随机数生成器生成任意周期性 边界条件； 根据所述微观 组织代表体元模型和任意周期性边界条件进行全场晶体塑性模拟， 提取 微观组织代表体元模型在周期性边界条件下指 定变形程度的屈服应力点， 从而通过信赖域 算法拟合屈服函数参数； 提取微观组织代表体元模型在周期性边界条件下应力三轴 度和罗 德参数随等效应 变变化的历史， 从而通过信赖域 算法拟合断裂模型参数。 2.根据权利要求1所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 根据材料表征实验的EBSD源文件获取待实验金属材料的取向分布函数， 构建微观组织 代表体元模型， 然后通过几何建模方法建立该待实验金属材料的材料模型与几何模型， 用 于全场晶体塑性模拟。 3.根据权利要求2所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 所述几何建模方法为Voro noi法、 蒙特卡洛法、 元 胞自动机或相场法。 4.根据权利要求2所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 所述微观组织代表体元模型包含晶粒尺寸分布、 晶粒形状、 相成分、 相含量和织构取向 信息。 5.根据权利要求1所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 通过提取微观组织代表体元模型在指定变形程度下 的屈服应力点， 并指定拟合屈 服函 数所需的屈服应力点数量， 通过信赖域 算法拟合屈服 函数参数。 6.根据权利要求1所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 根据预设的断裂判据， 提取微观组织代表体元模型在周期性边界条件下应力三轴度和 罗德参数随等效应变的变化历史， 进而通过信赖域算法拟合断裂模型参数； 所述断裂判据 包括滑移系累积分切应 变、 等效应力、 等效应 变和累积塑性功。 7.根据权利要求6所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 依据断裂判 据， 在全场晶体塑性模拟过程中， 实现对待实验金属材料在不同应力状态下 的损伤评估。 8.根据权利要求1所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 所述方法还包括： 构建指定最大等效变形的单向拉伸边界条件、 剪切边界条件、 平面应 变边界条件和不同加载比的双轴拉伸边界条件， 所述全场晶体塑性模拟过程中还加入所述 单向拉伸边界条件、 剪切边界条件、 平面应 变边界条件和双轴拉伸边界条件。 9.根据权利要求8所述的一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方法， 其特征在 于， 获取所述微观组织代表体元模型在单向拉伸边界条件、 剪切边界条件、 平 面应变边界条 件和双轴拉伸边界条件下的力学响应和各向异 性行为， 实现对待实验金属材料的宏观力学 性能和塑性行为的评估。 10.一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验装置， 其特征在于， 包括存储器和处理 器， 所述存储器存储有计算机程序， 处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1～9任一 所述的方法的步骤。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114372403 A 2一种金属材料各向异性力学行为的虚拟实验方 法和装置 技术领域 [0001]本发明涉及金属材料性能实验技术领域， 尤其是涉及一种金属材料各向异性力学 行为的虚拟实验方法和装置 。 背景技术 [0002]材料伴随着人类文明的发展在不断的更新迭代， 近年来， 为了满足节约能源与环 境保护的需求， 以铝合金、 镁合金、 钛合金和先进高强钢为代表的轻质高强金属与合金材料 被广泛应用到工业生产与制造中。 为了提高金属材料的生产成功 率， 避免造成材料浪费， 减 少产品开发周期等需求， 基于有限元方法的数值模拟技术被广泛应用在材料成形领域， 为 成形工艺设计和产品制造保驾护航。 [0003]可靠的本构模型是有限元模拟仿真的关键， 而先进的材料屈服函数又是材料本构 模型中重要的组成部 分。 各种性能优异、 微观结构复杂的材料的不断涌现， 对材料本构模型 提出了越来越高的要求。 例如以镁合金、 钛合金为代表的密排六方金属， 其 塑性行为具有明 显的各向异性、 屈 服轨迹的不对称性等特征， 描述这些复杂变形行为的本构模型通常需要 较多的材料参数。 标定和辨识这些材料参数需要开展不同的力学实验， 当前常用的材料力 学性能实验包括拉伸实验、 压缩实验、 扭转 实验、 硬度实验、 冲击韧度实验和疲劳实验等。 纵 使传统的力学实验能够 满足基础力学性能测定的需求， 但时间消耗过多不利于材料的快速 研发和迭代更新； 而复杂应力状态下 的力学实验难以通过常规实验手段完成， 如金属板料 的胀形实验和面外力学实验等。 [0004]评估金属材料的损伤和断裂是其加工制造工艺设计的关键， 而韧性断裂准则是材 料加工过程中预测材料破损的关键。 但由于韧性断裂准则材料常数的标定需要评估材料在 不同应力路径下 的断裂行为， 故通常需要设计数组含不同应力状态的拉伸试样， 通过实验 和模拟联合的方式获取其断裂应变、 应力三轴 度和罗德参数， 并以此拟合断裂模 型参数。 大 量的力学实验同样不满足金属材料成形工艺的快速优化和升级的需求， 从而亟待一种快速 有效标定断裂模型的方法。 发明内容 [0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在需要大量力学实验进行金属材料 的力学性能测试， 成本高， 产品生产周期长的缺陷而提供一种 金属材料各向异性力学行为 的虚拟实验方法和装置 。 [0006]本发明的目的可以通过以下技 术方案来实现： [0007]一种金属材 料各向异性力学 行为的虚拟实验方法， 包括以下步骤： [0008]根据待实验金属材料的电子背散射衍射实验结果构建该待实验金属材料的微观 组织代表体元模型； [0009]指定任意周期性边界条件的数量和微观组织代表体元模型在任意周期性边界条 件的变形程度， 通过随机数生成器生成任意周期性 边界条件；说　明　书 1/4 页 3 CN 114372403 A 3