本申請(qǐng)涉及零件成形制造，尤其涉及一種基于多尺度建模的旋壓成形位錯(cuò)演化預(yù)測(cè)及工藝優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、在金屬加工領(lǐng)域，旋壓成形作為一種重要的塑性成形工藝，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械等多個(gè)行業(yè)。該工藝通過旋轉(zhuǎn)模具和坯料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使坯料在模具的作用下逐漸變形，最終獲得所需的形狀和尺寸。然而，旋壓成形過程中材料的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化是一個(gè)復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)的過程，它受到多種因素的影響，包括材料的力學(xué)性能、旋壓工藝參數(shù)、模具形狀和溫度等。

2、在現(xiàn)有的技術(shù)中，對(duì)旋壓成形過程中材料位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化的預(yù)測(cè)主要依賴于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)公式。這些方法雖然在一定程度上能夠反映材料的變形行為，但存在以下主要問題：

3、預(yù)測(cè)精度有限：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法通常只能獲取宏觀尺度的力學(xué)性能參數(shù)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等，而無法直接觀測(cè)到材料在旋壓成形過程中的微觀組織變化。因此，這些參數(shù)在預(yù)測(cè)材料位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化時(shí)存在較大的不確定性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度有限。

4、實(shí)驗(yàn)成本高：為了獲取準(zhǔn)確的材料性能參數(shù)，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這不僅耗時(shí)耗力，而且成本高昂。特別是對(duì)于新型材料或復(fù)雜形狀的旋壓件，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的難度和成本更是顯著增加。

5、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難：在旋壓成形過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的微觀組織變化是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)大多只能提供宏觀尺度的變形信息，而無法直接觀測(cè)到微觀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演化過程。

6、為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)提出了基于有限元模擬的預(yù)測(cè)方法。這種方法通過建立材料的本構(gòu)模型，結(jié)合有限元分析技術(shù)，可以模擬旋壓成形過程中材料的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化。然而，現(xiàn)有的有限元模擬方法大多停留在宏觀尺度上，無法準(zhǔn)確反映材料在微觀、細(xì)觀尺度上的應(yīng)力、應(yīng)變演化。此外，這些方法在模擬過程中往往忽略了材料內(nèi)部的微觀缺陷和位錯(cuò)演化等復(fù)雜機(jī)制，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)實(shí)施例通過提供一種基于多尺度建模的旋壓成形位錯(cuò)演化預(yù)測(cè)及工藝優(yōu)化方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)預(yù)測(cè)旋壓成形過程中材料位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化精度和效率差的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案是：

3、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于多尺度建模的旋壓成形位錯(cuò)演化預(yù)測(cè)及工藝優(yōu)化方法，包括：獲取目標(biāo)坯料的力學(xué)性能參數(shù)、晶體學(xué)信息、旋壓模具參數(shù)以及旋壓工藝參數(shù)；根據(jù)所述力學(xué)性能參數(shù)、所述目標(biāo)坯料的幾何形狀、旋壓模具參數(shù)以及旋壓工藝參數(shù)，構(gòu)建旋壓成形過程的宏觀有限元模型；所述宏觀有限元模型用于模擬并分析所述目標(biāo)坯料在旋壓成形過程中的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變的演化；從宏觀有限元模型中確定出第一目標(biāo)區(qū)域，基于晶體學(xué)信息構(gòu)建第一目標(biāo)區(qū)域的晶體塑性有限元模型，并從宏觀有限元模型中提取第一目標(biāo)區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變或位移信息，作為第一邊界條件施加給晶體塑性有限元模型，模擬旋壓成形過程中晶粒尺度的變形響應(yīng)，預(yù)測(cè)細(xì)觀晶粒尺度的應(yīng)力、應(yīng)變、位錯(cuò)密度演化；從晶體塑性有限元模型中確定出第二目標(biāo)區(qū)域，基于晶體學(xué)信息，構(gòu)建第二目標(biāo)區(qū)域的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，并從晶體塑性有限元模型中提取第二目標(biāo)區(qū)域在晶粒尺度的應(yīng)力、應(yīng)變或位移信息作為第二邊界條件施加給位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，模擬并分析旋壓成形過程中微觀位錯(cuò)尺度的組織、應(yīng)力、應(yīng)變以及位錯(cuò)的演化；結(jié)合宏觀有限元模型、晶體塑性有限元模型和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型的分析結(jié)果，綜合預(yù)測(cè)旋壓成形過程中組織的演化規(guī)律，并基于預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化旋壓成形的工藝參數(shù)。

4、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，力學(xué)性能參數(shù)通過對(duì)目標(biāo)坯料進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)獲得，力學(xué)性能參數(shù)包括但不限于彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；晶體學(xué)信息通過對(duì)目標(biāo)坯料進(jìn)行ebsd表征獲得，晶體學(xué)信息包括但不限于晶粒大小、晶粒形貌以及晶體取向信息。

5、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，第一目標(biāo)區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)坯料在旋壓成形過程中的易開裂區(qū)域。

6、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，第二目標(biāo)區(qū)域?yàn)榈谝荒繕?biāo)區(qū)域中微觀位錯(cuò)演化過程中局部應(yīng)力集中區(qū)域。

7、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，宏觀有限元模型、晶體塑性有限元模型和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型之間通過數(shù)據(jù)共享和邊界條件傳遞實(shí)現(xiàn)多尺度模擬的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋壓成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變演化的全面預(yù)測(cè)。

8、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，優(yōu)化旋壓成形的工藝參數(shù)包括但不限于調(diào)整芯模轉(zhuǎn)速、進(jìn)給比、旋輪圓角半徑、旋輪軌跡以減少或消除易開裂區(qū)域。

9、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括：建立雙向跨尺度反饋通道，其中，通過微觀位錯(cuò)密度數(shù)據(jù)反向修正晶體塑性有限元模型中的晶體塑性本構(gòu)方程，通過細(xì)觀滑移系激活狀態(tài)反饋至宏觀有限元模型更新硬化準(zhǔn)則。

10、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，在對(duì)旋壓成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，該方法還包括：通過優(yōu)化后的旋壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行旋壓成形模擬；對(duì)旋壓成形模擬的旋壓成形件進(jìn)行成形質(zhì)量評(píng)估，確定旋壓成形件是否滿足預(yù)設(shè)的力學(xué)性能要求；在旋壓成形件滿足預(yù)設(shè)的成形質(zhì)量要求時(shí)，輸出優(yōu)化后的旋壓成形工藝參數(shù)；在旋壓成形件不滿足預(yù)設(shè)的成形質(zhì)量要求時(shí)，對(duì)旋壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

11、本發(fā)明實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

12、本發(fā)明實(shí)施例中，通過宏觀有限元模型模擬并分析目標(biāo)坯料在旋壓成形過程中的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變的演化；從宏觀有限元模型中確定出第一目標(biāo)區(qū)域，基于晶體學(xué)信息構(gòu)建第一目標(biāo)區(qū)域的晶體塑性有限元模型，模擬旋壓成形過程中晶粒尺度的變形響應(yīng)，預(yù)測(cè)細(xì)觀晶粒尺度的應(yīng)力、應(yīng)變、位錯(cuò)密度演化；從晶體塑性有限元模型中確定出第二目標(biāo)區(qū)域，基于晶體學(xué)信息構(gòu)建第二目標(biāo)區(qū)域的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型，模擬并分析旋壓成形過程中微觀位錯(cuò)尺度的應(yīng)力、應(yīng)變以及位錯(cuò)的演化；結(jié)合宏觀有限元模型、晶體塑性有限元模型和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型的分析結(jié)果，綜合預(yù)測(cè)旋壓成形過程中組織的演化規(guī)律，并基于預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化旋壓成形的工藝參數(shù)。如此，將宏觀有限元模擬、細(xì)觀晶體塑性模擬與微觀位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬這三種不同尺度和層次的計(jì)算方法相結(jié)合，能夠提供一個(gè)從宏觀力學(xué)行為到細(xì)觀尺度力學(xué)響應(yīng)及位錯(cuò)密度演化，再到微觀尺度單個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和相互作用機(jī)制的完整視角，從而更全面地理解金屬材料的塑性成形過程。不僅提升了預(yù)測(cè)的精度和可靠性，還增強(qiáng)了對(duì)材料變形行為及其影響因素的認(rèn)識(shí)深度。通過整合不同尺度的信息，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料在塑性成形過程中的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變分布、晶粒變形響應(yīng)、位錯(cuò)密度演化以及單個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用等關(guān)鍵特征。同時(shí)，結(jié)合多尺度模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得更好的成形質(zhì)量和性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于多尺度建模的旋壓成形位錯(cuò)演化預(yù)測(cè)及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述力學(xué)性能參數(shù)通過對(duì)所述目標(biāo)坯料進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)獲得，所述力學(xué)性能參數(shù)包括但不限于彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一目標(biāo)區(qū)域?yàn)樗瞿繕?biāo)坯料在旋壓成形過程中的易開裂區(qū)域。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二目標(biāo)區(qū)域?yàn)樗龅谝荒繕?biāo)區(qū)域中微觀位錯(cuò)演化過程中局部應(yīng)力集中區(qū)域。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述宏觀有限元模型、所述晶體塑性有限元模型和所述位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模型之間通過數(shù)據(jù)共享和邊界條件傳遞實(shí)現(xiàn)多尺度模擬的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋壓成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變演化的全面預(yù)測(cè)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述優(yōu)化旋壓成形的工藝參數(shù)包括但不限于調(diào)整芯模轉(zhuǎn)速、進(jìn)給比、旋輪圓角半徑、旋輪軌跡以減少或消除易開裂區(qū)域。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：建立雙向跨尺度反饋通道，其中，通過微觀位錯(cuò)密度數(shù)據(jù)反向修正所述晶體塑性有限元模型中的晶體塑性本構(gòu)方程，通過細(xì)觀滑移系激活狀態(tài)反饋至所述宏觀有限元模型更新硬化準(zhǔn)則。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在對(duì)旋壓成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，所述方法還包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開了一種基于多尺度建模的旋壓成形位錯(cuò)演化預(yù)測(cè)及工藝優(yōu)化方法，將宏觀有限元模擬、細(xì)觀晶體塑性模擬與微觀位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬這三種不同尺度和層次的計(jì)算方法相結(jié)合，能夠提供一個(gè)從宏觀力學(xué)行為到細(xì)觀尺度力學(xué)響應(yīng)及位錯(cuò)密度演化，再到微觀尺度單個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和相互作用機(jī)制的完整視角，從而更全面地理解金屬材料的塑性成形過程。不僅提升了預(yù)測(cè)的精度和可靠性，還增強(qiáng)了對(duì)材料變形行為及其影響因素的認(rèn)識(shí)深度。通過整合不同尺度的信息，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料在塑性成形過程中的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變分布、晶粒變形響應(yīng)、位錯(cuò)密度演化以及單個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用等關(guān)鍵特征。同時(shí)，結(jié)合多尺度模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得更好的成形質(zhì)量和性能。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭澤邦,辛海,詹梅,樊曉光,羅鋅,張偉峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15