基于过程参照的延性损伤参数逆向识别方法在DP600钢丝带循环弯曲裂纹扩展模拟中的应用

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Process-referred ductile damage parameter identification approaches for modelling crack propagation during cyclic bending of DP600 wire strip

　　

钢纤维生产的新型工艺链基于金属板材通过槽口轧制和缩绒加工，具有巨大潜力，但需要对工艺步骤间的相互作用进行进一步分析，以建立基本的工艺理解和设计依据。鉴于其高度可变性，基于仿真的分析提供了一种可行方法，需要充分的损伤模型来预测开槽金属板材在循环弯曲载荷下的材料失效。损伤模型的材料参数通常在表征试验基础上逆向确定，忽视了其物理意义。经过进一步标定后，得到的参数不再是纯材料参数而是过程相关参数。除传统方法外，本研究在考虑Lemaitre和GISSMO损伤模型的基础上，引入了一种基于过程本身的Lemaitre损伤参数替代性逆向识别方法，同时接受无法获得纯材料参数和普适模型的结果。两种参数识别方法——传统方法和过程参照法——均应用于冲压DP600钢丝带的循环弯曲过程。基于循环弯曲过程中仿真与实验扭矩历程的对比评估表明，由过程本身确定的Lemaitre模型因应力状态的高三轴度可比性而达到良好一致性。传统方法确定的GISSMO损伤模型及由拉伸试验确定的Lemaitre模型均显示出显著偏差。传统方法确定的Lemaitre模型的一致性可通过在逆向识别中引入缺口拉伸试验作为参考而得到改善，该试验导致不同的应力三轴度状态，但过程参照法在工程应用中仅需较少试验工作量即可实现目标导向的建模，被证明更为高效。

**论文解读：基于过程参照的延性损伤参数识别方法在DP600钢丝带循环弯曲裂纹扩展模拟中的应用**

**一、研究背景与问题陈述**

钢纤维作为混凝土增强材料，能够显著改善混凝土构件的峰后行为和整体强度，其应用有助于减小墙体厚度、降低混凝土用量和资源需求。传统的钢纤维生产工艺依赖不连续多级拉丝过程中的中间退火步骤，能耗较高。Stahl提出了一种基于金属板材的连续化钢纤维生产工艺，其工艺链主要包括槽口轧制和缩绒/循环弯曲两个主要工序。在槽口轧制过程中，板材两侧施加多个槽口形成所谓的钢丝带，槽口作为预定断裂点，在后续循环弯曲过程中裂纹在此萌生并扩展。

该创新工艺的应用需要对其主要工序间的因果关系进行基础研究。由于实验研究受调整选项和参数灵活性的限制，有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）作为实验分析的补充手段，需要对相关载荷条件下的材料和损伤行为进行充分建模。特别是循环弯曲过程中裂纹萌生和扩展的预测具有较大挑战性。参考现有已发表的DP600板材（初始厚度t0=0.8 mm）基础力学性能数据和损伤参数表征结果，明确了对适用于高三轴度应力状态的损伤模型的需求。本研究旨在评估Lemaitre和GISSMO两种损伤模型及其参数识别方法——基于表征试验的传统方法和基于实际工艺过程的过程参照法——在预测钢丝带循环弯曲裂纹扩展方面的适用性。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员以SSAB公司生产的DP600双相钢（初始板厚t0=0.8 mm）为试验材料，在室温条件下开展实验。通过堆叠压缩试验获取压缩载荷下的塑性流动行为，基于拉伸试验确定各向异性屈服行为（Hill 48屈服准则），并通过拉压试验确定循环载荷下的混合等向-随动硬化参数。对于损伤参数识别，传统方法采用单轴拉伸试验、缺口拉伸试验、剪切试验和Nakajima试验作为表征试验进行逆向识别；新提出的过程参照法则直接以钢丝带循环弯曲过程中的扭矩-弯曲角曲线作为逆向识别的参考目标。

研究得出以下主要结论：GISSMO模型因缺乏应力三轴度η≥2/3范围内失稳曲线和断裂曲线的支撑点，在该应用中无法充分发挥其覆盖广泛三轴度范围的潜力；基于单轴拉伸试验的Lemaitre参数识别不足以预测高三轴度下钢丝带的损伤行为；对于传统表征试验方法，缺口拉伸试验可作为循环弯曲过程的合适参考试验；过程参照法确定的Lemaitre模型因精确的应力状态匹配，其预测质量与传统缺口拉伸试验逆向识别方法相当；尽管过程参照法模型在dmin和β不同参数组合下均验证了适用性，但其向标定范围以外参数变化的可迁移性仍需进一步测试。

**三、关键技术方法**

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）逆向参数识别方法，基于LS OPT软件与LS DYNA仿真接口，采用多项式元模型和序列域缩减策略（SRSM），通过自适应模拟退火（ASA）算法进行优化，曲线匹配采用均方误差（MSE）算法；（2）堆叠压缩试验结合数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术获取塑性流动行为；（3）拉压试验结合Chaboche-Rousselier和Hockett-Sherby模型确定混合硬化参数；（4）过程链仿真采用二维实体单元建模，假设平面应变条件以获得计算效率；（5）单元尺寸敏感性分析和GISSMO网格正则化方法处理网格依赖性。

**四、研究结果**

**4.1 传统表征试验参数识别**

研究人员开展了单轴拉伸试验（三轴度η=1/3）、0°和45°剪切试验（η=0）、缺口拉伸试验（R=4 mm，η=1/√3）以及Nakajima试验（η=2/3）作为GISSMO参数识别的参考试验。通过模拟分析发现，除单轴拉伸试验外，所有表征试验在试验过程中应力三轴度均发生变化，这给参数识别带来了挑战。Lemaitre模型基于拉伸试验识别得到εpeff,d=0.18、S=2.85，基于缺口拉伸试验识别得到εpeff,d=0.20、S=5.43。GISSMO模型通过逐步识别各三轴度支撑点，确定损伤指数n=2.5、衰减指数m=1.0以及失稳和断裂曲线的各支撑点。

**4.2 过程参照参数识别**

研究人员采用槽口冲压试验（最小模具距离dmin=0.3 mm和0.5 mm）制备钢丝带试样，随后在循环弯曲试验装置上以弯曲角β=10°和14°进行循环弯曲。选取参数空间的极端角点组合（dmin=0.3 mm/β=10°和dmin=0.5 mm/β=14°）作为逆向识别的参考工况。通过将实验扭矩-弯曲角曲线转换为扭矩-仿真时间曲线，经LS OPT逆向迭代识别得到εpeff,d=0.05、S=5.39。

**4.3 模型评估**

对比四种参数组合下各损伤模型的预测能力。基于循环弯曲过程的Lemaitre模型（CB）与基于缺口拉伸试验的Lemaitre模型（N）在所有参数组合下均获得最佳剩余腹板高度预测精度。基于拉伸试验的Lemaitre模型（T）和GISSMO模型显著高估裂纹扩展速率，其中GISSMO在β=10°两种情况下均在第三循环即预测完全分离。值得注意的是，基于循环弯曲的Lemaitre模型和GISSMO模型在裂纹几何形貌上存在差异——前者预测较为平直的裂纹路径，后者能够再现实验中观察到的弧形凸凹断口形貌。在扭矩预测方面，Lemaitre CB和Lemaitre N同样与实验扭矩降幅最为接近，而Lemaitre T和GISSMO显著高估扭矩衰减。

**五、讨论与结论**

研究讨论指出，损伤准则的适用性显著依赖于当前应力状态及其多轴性，不存在单一准则能够代表所有应力状态下延性断裂的特征。Lemaitre损伤模型因其强三轴度依赖性，适用于钢丝带循环弯曲过程的高三轴度应力状态。GISSMO模型在本研究中因缺乏高三轴度（η≥2/3至η≈1）的试验支撑点，且薄板材料限制了Lode角相关表征试验的可能性，未能有效预测该特定应力状态下的损伤演化。研究还指出，即使Lemaitre CB和N模型预测最佳，仍存在整体偏差，其原因可能包括：基于单轴拉伸试验确定的各向同性硬化模型对多轴应力状态的适用性不足、二维仿真模型的简化、运动学边界条件与实验条件的差异等。

研究结论总结如下：（1）GISSMO因缺乏η≥2/3的失稳和断裂曲线支撑点，无法在该应用中发挥其广三轴度覆盖优势；（2）基于单轴拉伸试验的Lemaitre参数识别不足以预测高三轴度下钢丝带的损伤行为；（3）缺口拉伸试验可作为循环弯曲过程Lemaitre传统参数识别的合适参考试验；（4）过程参照法确定的Lemaitre模型与缺口拉伸试验逆向识别方法具有相当的预测质量，且所需试验工作量更低；（5）过程参照法的适用性仍需进一步验证在标定范围外的参数变化和工艺条件迁移。