揭密||使用EikoTwin DIC 应变测量系统进行测试时多个材料参数的校准流程

作者：Florent Mathieu-EikoSim公司首席执行官

图片和数据：IRT St Exupéry提供

如何通过单次测试校准多个材料参数？以下是指南。

在之前的文章中，我们探讨并展示了如何使用数字图像相关性技术测量晶格结构复杂运动。该文章展示了测量和模拟位移场之间的对比。

图1

在实践中，我们经常面临这样一种情况：仿真模型没有直接通过原型上的测量来验证。导致差异出现的错误来源：

♦ 行为法则或材料参数的选择：即使法则已在材料测试中得到验证，当我们转向结构或子结构的计算时，可能超出其有效性范围。

♦ 仿真几何：简化几何或网格的选择可能解释行为的差异。例如，薄壁厚度的差异，或者原型与CAD模型相比的局部制造缺陷。

♦ 边界条件的选择：在建立模型边界条件时，使用简化假设（如零位移、位移或力完全沿空间中某一方向作用）是非常常见的。提醒：真正的嵌固条件是不存在的！

♦ 接触模型的选择：同样，为了简化或降低计算成本而对两部分之间的接触进行初步近似，后来可能证明是有问题的。

我们的经验表明，在结构计算中，正如在材料测试中一样，边界条件可以起到首要作用：因此，有必要考虑它们，否则最终会得到完全错误的材料法则参数！在之前介绍的格子结构测试案例中，我们使用了EikoTwin数字孪生软件，下面就展示一直在进行材料校准时，如何考虑这些因素。这项工作是与IRT Saint Exupéry合作进行的，是LASER项目（2019-2021，由PIA——“未来投资计划”支持，合作伙伴包括Safran、Ariane Group、Thales Alenia Space、Altran Technologies和SIMAP）的一部分。

一个简单的测试？

这里讨论的测试是一种关于BCCZ晶体结构样本（见图2）的非标准测试（介于剪切和嵌入自由弯曲之间）。样本左右两侧的元件用来固定结构，而照片右侧的刚性板则通过移动对结构施加弯曲或剪切应力，这取决于其长度。

 

图2

在上一篇文章的末尾，测量和模拟位移场之间存在明显差异，如图3所示。这种夸张（这里放大了15倍）揭示了物理原型表面（测量，绿色）和虚拟原型（仿真，红色）运动学之间的差异。加载方向在屏幕上以蓝色显示。这幅图显示，伴随着运动的进行，同时在样本下部有更大的位移，并且也出现了旋转（剪切看起来不那么显著且更局部化）。

图3

使用EikoTwin数字孪生软件，可以同时兼顾这些情况，并直接修改相关的仿真模型。通过选择区域，可以在模型体上重新创建一组节点，并应用于表面位移的测量，这就是我们所说的“增强仿真模型”。

图4 节点集的创建

 

最终，我们可以获得仿真和测量之间更好的一致性，如图5所示。我们此测试的目的就是识别这种模型误差，该误差经常会被匆忙地误认为是材料法则的缺陷。

图5

敏感性研究

边界条件调整后，可以识别材料参数。在数字孪生中，这种识别是基于对模型参数的仿真敏感性研究。这里，这些参数是行为法则的参数，但软件中也可以使用其他参数。

重置边界条件后，我们可以看到反应力信号（从仿真中提取，由新形成的边界条件驱动的节点）与测量力（见下文）存在显著差异。

图6

然后软件计算仿真对所考虑参数的敏感性（这里，是弹塑性幂法则的参数）。这种分析的副产品是根据所选择的标准创建测试和计算偏差函数的敏感性信号。在这种情况下，它是力和位移场的组合。

图7显示了，例如，力对杨氏模量5%变化的敏感性。然后这些信号被组合以创建一个最小化测试-计算偏差的唯一问题。图7还显示了参数之间的相关性，就这些标准而言，这有助于确定这些参数之间存在的耦合。

图7

材料参数校准

完成这些分析后，确定了可识别的参数。然后迭代算法负责最小化测试-计算偏差，这里在位移和力方面都是如此。如图8所示，力的误差在这里占主导地位（位移由于测量的边界条件得到很好的控制）。数字孪生算法使我们能够迅速接近最小化解决方案。然后可以观察到分析中考虑的参数的演变，以及它们的最终值。

图8

一旦算法收敛，我们还可以观察到优化仿真的成果与测量的成果完全匹配（如图9）：

图9

作为数字孪生的原创应用，在此案例中我们能够直接识别复杂结构的4个参数，而如果使用传统测量技术在不了解结构的实际边界条件的情况下，实现这一目标将需要非常复杂操作。

这种类型的例子也回答了经典问题：我们可以不做物理测试吗？当然，材料和晶格几何的表征提出了问题，但我们可以想象最终能够应对所有材料和结构组合的表征活动。另一方面，考虑到这个例子，认为在没有对结构的边界条件有充分了解的情况下表示出的一个结构是值得怀疑的，这通常比材料属性的校准问题更为复杂。

在本文中提出的应用中，所讨论的材料以“结构”的形式呈现，结合了材料及其结构成分的行为。这使得可以结合这些影响并在单个测试中对其进行表征。