的影响生产的几何建模:对数字的双胞胎

文摘

一个简单的列举了材料试样,失败在两种不同的可能的裂纹路径之一,被认为是。的结果偏差在几何的趋近一毫米,这种裂纹路径的双面性激励考虑生产的组件的几何设计,结构系统的评估和认证。,生成有限元模型生产的标本,随后分析了解决crack-path歧义。结果和效益的“个性化”方法是每个试样的裂纹路径的预测基于其生产的几何形状,而不是一个可能的标本分布几何图形或名义几何。考虑到生产的特点是数字双核心的概念。因此,这项工作也是为了激励其发展。

1。介绍

当前结构性生活管理方法考虑各种生产可靠性估计的不确定性的来源。通常情况下,一个经验最糟糕的情况是,设计和安排检查。然而,依赖于最坏的情况在测试假设在职加载条件很好理解,分布的材料行为的反面是准确的建模,和所有耦合损伤模式,导致减少生活占在测试期间。在服务期间,决定结构承受任务的能力是基于这些不确定性和可靠性估计,随着相对初始设计规范的基本信息,使用历史和无损评价(NDE)和维护记录。不幸的是,没有一个特种车辆使用情况的详细记录,变化只使用在舰队增加了不确定性的一个特定的车辆。此外,这种假设的代表,最坏的情况会导致昂贵的检查或更换的部分可能包含可接受的损失(1]。

通过贝叶斯推理,可以结合使用新数据与现有的预测,提高可靠性估计整个车辆的使用寿命。这样的预测是实际如果特种车辆初始和更新状态,使用历史和濒死经历发现记录在整个使用寿命和随后用于预测更新。这是因为没有两个结构组件在一个舰队在生产的几何和材料微观结构是等价的,并没有两辆车经验相当于一生中使用或环境。

数字双(2,3)是一个新兴的管理和认证方法旨在解决这些现存的问题;然而,本文不详细数字双entirety-topics如多尺度和稳定的物理建模,模型集成,和计算需求超出了这个工作的范围。本文关注的生产的几何建模和模拟的功效舰队中的每个组件和目标激励和更好的使用一个简单的用例定义数字双。提出了用例,在列举了材料试样韧性断裂,驱散的概念建模损害一个组件可以用几何代表,一个看似精确校准的本构模型,和良好的工程判断。一定程度的个性化是必需的,这是证明的有效性通过考虑2012桑迪亚断裂的挑战(证监会)[4]。具体地说,观察列举了香港证监会几何失败以及两个裂纹路径之一。的结果偏差在几何的几十分之一毫米,这种裂纹路径模糊表明标本没有一个代表几何和激励建模生产的组件,数字的双胞胎的基石。

本文分为三个部分。首先,部分2,2012桑迪亚骨折挑战介绍和概述了上述裂纹路径模棱两可。主要结果转达了在这一节中,没有一个配置充分代表了香港证监会几何。因此,必须注入少量的个性化SFC-related建模活动。在第二部分,部分3和4在建模和模拟,数字双标本在一个商业有限元软件包,有限元分析/显式,在证监会几何解决裂纹路径模棱两可。精制过程中计算模型研究与生产的样品的引入几何和住宿的剪切破坏模式,从而模仿一些数据采集和更新过程中数字的双胞胎。在第三部分,部分5,转移到一个更高的保真度计算模型的上下文中给出了相关实验结果。从今以后,数字双指的范式数字双指的是一种实例化。

2。2012年桑迪亚断裂的挑战

2.1。概述

桑迪亚断裂的挑战(证监会)出具桑迪亚国家实验室和美国国家科学基金会(NSF)和海军水面作战中心Carderock部门2012年预测裂纹萌生和传播在小说几何、“挑战标本”以后。关于实验的细节和轮询调度预测由十三个参与者,读者针对证监会领导(条4]。这一部分是一个简短的总结实验设置,挑战要求,相关实验结果,和参与者的方法。

2.2。实验装置

今天比赛感兴趣的材料是一个现成的合金,PH值:沉淀硬化不锈钢。十三个挑战标本以及拉伸和断裂韧性试验标本加工从同一个盘子里。值得注意的是挑战标本被命令和一个0.0508毫米宽容所有维度;然而,并不是所有的标本被加工规范,使独特的实验结果详细的部分2.4。挑战的名义尺寸样品图1。

挑战标本有一些相似之处与一个标准的紧凑的张力(CT)试样的断裂韧性,但除了钝切口有三个洞。下面的图1(一),标签公约是用来识别样本的相关特性:钝切口(a), 3.05毫米直径的洞(D), 1.78毫米直径孔除了钝切口(C), 1.78毫米直径的洞洞C和D (B),和极右派边缘的中点(E),每个标本是加载在销孔的速度0.0127毫米/秒。所有测试在实验室环境温度。

2.3。大量的利益

每个团队被要求预测六(QOIs)通过桑迪亚识别大量的兴趣。他们是(1)裂纹路径,(2)载荷与裂纹张开位移(COD),图1,(3)荷载裂缝第一次启动时,(4)鳕鱼裂缝第一次启动时,(5)负载时裂纹后三周(即从第二个特性。孔B或C),(6)鳕鱼当裂纹后来三周(即从第二个特性。孔B或C)。

2.4。实验结果:裂纹路径模棱两可

两个裂纹路径观察标本的挑战:A-C-E A-D-C-E。十三的标本,10裂缝沿路径定义为A-D-C-E (D2, S1、S2、S3、S4 S5, S6, S7、S8,和S11),三裂缝沿A-C-E (D1、S9 S10)。值得注意的是只有一个标本的加工规范及其裂纹路径A-C-E;其他人表现出偏差超出了0.0508毫米机公差从几微米到公差的两倍。在广泛分析之后,博伊斯et al。4确定这些偏离名义尺寸歧义的根源在裂纹路径。

特别是,孔的位置C与洞D是决定性的。标本与孔C和D相隔2.381毫米或更少(测量之间的垂直距离顶部的孔C和D)始终沿着A-D-C-E破裂。相反,标本的裂纹路径A-C-E展出孔C和D之间的距离2.401毫米,2.393毫米和2.397毫米。局外人标本,S11孔C和D隔开的距离2.398毫米沿着A-D-C-E但破解。理顺这个例外,博伊斯et al。4]认为钝切口之间的垂直距离的比值(A)和孔D之间的水平距离钝切口(A)和孔C和确定,这一比率S11标本,连同其他标本的比率,沿着A-D-C-E破裂,大于机器宽容。

负载和鳕鱼概要文件在图13给出标本2。也许最明显的概要文件是标本,破解A-C-E有相当长的时间延迟的负载降低比标本沿A-D-C-E破裂。整体负载降低从A到C对所有标本大致3 kN,但总COD标本的变化,裂缝沿A-D-C-E在这减少大于沿着A-C-E破裂的标本。

2.5。调查参与者的预测能力

一系列广泛的功能是用来预测六QOIs。几个团队使用多孔金属塑性(void增长)模型(6]。其他人使用•冯•米塞斯可塑性辅以骨折模型(即。针对摩尔-库仑(,7]和Johnson-Cook [5])。扩展有限元法(XFEM) [8),物质点法,peridynamic理论,粘性区也被使用。其中有些方法优于别人在决定一些QOIs,但是没有一个模型准确地解决所有的QOIs。接下来的小节将详细介绍这些模型之一:商用,多孔金属plasticity-based方法。

3所示。计算模型

3.1。材料模型和标定

多孔金属塑性模型在有限元分析中实现/显式(9)是一种void-growth塑性模型给出的Gurson [10]。弹性响应和各向同性硬化行为。由屈服条件 在哪里孔隙体积分数,是有效的米塞斯应力,的屈服应力完全稠密矩阵,然后呢三是静水压力。Tvergaard [11)修改(1)包括屈服面参数,,: Gurson的屈服条件恢复。损害是引入模型通过孔隙聚结。两个材料参数控制的破坏过程:临界孔隙体积分数,,在总孔隙体积分数失败,。如果空隙体积分数超过,一个质点失去所有能力都有压力。此外,如果一个元素的所有材料点失败,从离散化中移除的元素。如果一个质点之间的空隙体积分数下降和,在(2)被表达

Tvergaard Gurson模型的修改校准PH值对今天比赛的强度和断裂韧性测试数据详细在证监会领导篇文章(4]。测试图形生成与200年在有限元分析/ CAE和网状μm-sized二次四面体元素。校准是在两个阶段进行的。首先,几个候选集的参数确定复制实验应力-应变拉伸数据。此后,候选人不准确地再现横截面积的减少期间观察到的拉伸测试是丢弃。在第二阶段,断裂韧性试验模拟了剩下的候选人,和最准确的设置复制的测量力和鳕鱼是保留标本模拟生产级挑战。这组表中给出1和2。

3.2。网格细化和敏感

是良好的解决方案从多孔金属塑性模型网格敏感。进行网格细化的研究挑战标本的名义试样几何。名义试样尺寸使用最初因为没有生产的几何。200年μm-sized四面体元素放在孔周围的钝切口(A)和B, C, D,因为该元素大小进行校准时使用。如图3,这取决于这200的程度μm-sized元素之外的孔,裂缝是沿着两条路径之一,传播预测A-C-E或A-D-C-E。在这种情况下,网格是腥红边,E,预测裂纹路径A-D-C-E;然而,在200年的情况μm-sized元素保留E, A-C-E预测裂纹路径。后者的结果是同意experimentation-the(即一个标本加工规范。在0.0508毫米沿着A-C-E名义)了。因此,对所有生产级模拟标本与挑战,200μm-sized四面体元素保留E。

3.3。挑战标本的边界条件和计算的要求

装载插脚的行动标本是建模与运动学耦合约束。加载销接近孔B举行固定,而另一个向下逐渐取代7.5毫米。一个运动学边界条件被分配到单个节点附近E限制刚体旋转。

所有生产级运行约550万自由度。模拟进行了3.40 GHz,第四代英特尔酷睿i7处理器。有限元分析/显式的共享内存并行四线程的目标时间增量秒导致大约为期四天的墙上时钟运行的时间。然而,显式有限元模型的集成尺度自全球刚度矩阵是不形成(因此,也不是倒)和质量矩阵可以对角化,导致非耦合方程组。因此,预计可以显著减少仿真时间代码在运行时使用cpu的数量不是可用的软件许可证的数量有限。

4所示。数值模拟和结果

4.1。概述

最初的计算模型用来预测骨折标本的挑战。因为没有生产的几何图形提供了最初的预测是在单个(名义)几何条件,部分4.2。瞎预测了后,生产的配置为探索模型被认为是解决歧义在裂纹路径的能力,部分4.2- - - - - -4.4。同时,基于实验结果,模型更新新的多孔金属塑性模型参数,以改善其预测能力,部分4.5,模拟一个贝叶斯更新数字双。

4.2。与名义维度建模的挑战标本

挑战标本的名义尺寸图1建模,确定一个基准模拟裂纹路径和负载与鳕鱼概要文件。预测裂纹路径A-C-E,图4。预测峰值负载和级的负载降低同意D1的形象,唯一的样品制造规范;然而,预测的0.8毫米总COD在第一次加载降的变化远远大于13的标本。

与名义标本,D1的模拟数字双样本预测A-C-E裂纹路径,匹配实验,图5。预计的高峰负荷期间只有2.2%低于测量实验。此外,仿真预测的大小首先负载降低相对准确;然而,预计1.0毫米总COD在第一次加载降的变化远远大于观察。裂纹的起始孔C不是在模拟;由于过度元素变形、融合的解决方案无法联系到和仿真随后终止。这不是物理现象的结果,而是违反Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)条件12]。此外,由于与有限元分析/明确的限制,不能自适应新元素插入到离散化来绕过这个问题。

4.3。建模S5(规范)的标本

S5标本,表现出最大的一些偏离规范,是十沿着A-D-C-E裂纹传播路径。关于上述比率之间的垂直距离钝切口(A)和孔D之间的水平距离钝切口(A)和孔C, S5标本展出的最大偏离名义。

S5的模拟数字双样本复制A-D-C-E裂纹路径,图6。预测的峰值负载与实验。的大小与D1标本,模拟和实验负载下降几乎无法分辨;然而,预测的1.7毫米总COD在第一次加载降的变化远远大于0.5毫米。

4.4。建模的S11规格(略)标本

S11标本,表现出轻微偏离规范,是十,破解A-D-C-E之一。这个结果有点特殊,因为间距孔C和D S11标本的标本沿A-C-E破裂的特征。如前所述,其之间的垂直距离的比例和D A和C之间的水平距离大于机器公差(所有标本A-D-C-E失败)的特征,这可能是最好的,也是唯一,geometric-based解释为什么S11沿着A-D-C-E标本了。

S11的模拟数字双标本没有繁殖A-D-C-E裂纹路径,图7。与前面所讨论的模拟,高峰负荷的准确预测和模拟的变化总COD在第一次加载降幅明显高于测量峰值。阐明了不准确的预测裂纹路径,进行了额外的分析。孔C转移逐步接近孔D直到A-D-C-E裂纹路径预测。一个50μm向下垂直孔C的翻译并不足以产生一个A-D-C-E路径;然而,如图7相比,仿真的S11标本,钝切口之间的空隙体积分数和孔C明显下降而增加钝切口和孔之间的D, D表示更倾向于裂纹扩展成洞随后10μ翻译(总翻译60μ米)导致A-D-C-E裂纹路径。

关于预测的负载和鳕鱼概要文件,这两个模拟显示A-C-E相对相似的曲线。小鳕鱼是需要启动第一个负载降低S11标本与D1和S5-an相比预期的结果是大量的鳕鱼走进可塑性变形韧带模拟和A - c在其他模型中。仿真与60μm翻译有问题收敛变形是由于过度元素韧带模拟开始失败,再次违反CFL条件的结果。

4.5。更新计算模型

虽然生产的几何建模改进裂纹路径预测,第一个迭代的框架很好地捕捉了即时性的负载降低。这是最明显的S5和S11数字双标本沿A-D-C-E失败。沿着关键材料分韧带根本不失败很快也以足够快的速度。众所周知,Gurson模型在shear-dominated政权表现很差。具体来说,低应力三轴条件下模型低估了损害。注意,应力三轴液压和•冯•米塞斯应力之间的比率。A-D-C-E情况有一个意想不到的剪切破坏模式,无效的使用修改的Gurson模型。更新数字双模型,这种意想不到的伤害模式现在必须与之相适应。供物和哈钦森13)提出了一种修改Gurson的模型,以弥补上述限制;具体地说,他们认为两届无效法律中进化增加下剪切变形的代祷呢第三不变量或因素的偏应力张量。供et al。6)使用这个修改模型在S5标本骨折,和他们的预测结果更加准确。

弥补Gurson模型无法进化的损害在低应力三轴,一个用户子程序来跟踪实时应力三轴。当一个质点应力三轴大于或等于某个值,它的屈服面参数设置,,(文献值通常用于钢)。如果一个质点应力三轴低于,它的将2.0增加第二项中给出的屈服条件(2)(有效地诱导损伤)。采用这种方法从Chabanet et al。14)曾在铝板裂纹扩展模型。

这个计划实施的S5数字双标本。在上一次迭代的改进的预测意义重大,表明应力三轴不应该忽视建模时挑战标本A-D-C-E失败。首先,韧带的损伤率模拟加速。这导致一个更直接的负载降低。第二,第一次负载降低预测发起更低的鳕鱼,与测量在更强的协议。两个负载与鳕鱼概要文件从这个方法给出图8。的形状预测资料以外第一个负载降低是在第一次迭代的显著提高;然而,韧带直流过早仍然失败。这种方法是不够的。在一个方面,需要诱导损伤为了Gurson模型准确地预测出第一个负载降低,但损害不应被允许发展那么快(对负载应用程序)在韧带直流就像在这个计划。这个激励使用shear-modified Gurson模型,伤害不是诱导方法一样具有侵略性。

5。讨论

5.1。概述

建模工作被分为两个阶段。在第一阶段,计算模型,验证,用于制造上述盲预测。在第二阶段,生产数字双样本被认为是解决crack-path歧义。此外,模型更新账户的意想不到的剪切破坏模式标本沿A-D-C-E失败。活动期间进行两个阶段,总结了螺旋式开发模型图9在数字的双胞胎,模仿的过程。本文主要关注了转向生产试样几何在第二阶段的开始,但为了中将采用更高的保真度的几何模型,讨论了两个阶段。注意,图的交叉引用9通过括号,,以后。

5.2。第一阶段

在第一阶段的开始突出的Gurson模型在以前的韧性断裂的研究(15,16)是指出。此外,鉴于时间约束的挑战,Gurson模型已经在有限元分析/显式实现,提供了一个相对快速和简单的方法来估计桑迪亚QOIs。因此,采用这一挑战。众所周知,Gurson模型shear-dominated制度执行不佳,除非修改(13];但是,没有修改。此外,报道的一些观察各向异性单轴拉伸测试结果,但是实现有限元分析/显式仅适用于线性各向同性弹性,因此各向异性被忽视了。

有几个模型的不确定性的来源应该被认为是在第一阶段。这些包括以下。

几何。一个挑战的工程制图与名义提供的公差是桑迪亚标本。这些公差是被忽略的框架条件在一个非随机几何(名义上的)。然而,几何图形建模样本的分布在指定公差就没有信息和预测裂纹路径会一直A-C-E。换句话说,没有对生产的几何建模,准确的预测不可能,进一步激励数字双框架的必要性。

加载条件。通过设计,桑迪亚报道相对模糊的信息加载条件模拟现实世界的工程问题。显然,这是一个不确定性的来源,但没有努力是量化。

材料参数。桑迪亚提供有限的标准化实验数据校准Gurson模型。模型的一些参数能够与这些数据校准;然而,一些无法校准,从而断言。

物理QOIs。物理QOIs只能在第二个阶段,香港证监会是双盲。

一个网格细化研究来确定特征元素长度(~ 200μ米),裂纹路径是对离散化的解决方案和后续改进取得了微不足道的变化。作为计算模型验证、校准的Gurson模型参数也进行了拉伸试验和sharp-crack i型断裂桑迪亚提供的数据。有四个问题需要考虑这个验证活动。首先,拉伸和断裂韧性试样剪切模式的破坏。因此,剪切破坏进行校准时被忽视。事后看来,不管最初假设发生剪切破坏,这个遗漏的校准工作。第二,只有一些Gurson模型参数的校准与所提供的数据。例如,屈服面参数,,都是统一指定在第一阶段当时没有数据表明否则。第三,可变性在校准数据提供不量化。最后,验证是不完整的在第一阶段由于缺乏物理QOI或响应度量标本的挑战。值得注意的是不完整的信息是大多数工程应用程序的一部分。数字双的一个目标是识别这种差距的影响在职,提供一种车辆时填通过贝叶斯更新和改进模型。

5.3。第二阶段

由于采用生产组件几何,该框架能够预测裂纹路径标本加工规范和那些表现出最高的偏离规范;然而,它摇摇欲坠的S11标本展出最偏离规范。这个标本相似几何图形沿着A-D-C-E A-C-E失败但破解。模型预测A-C-E-a模型误差,后来有界只有60μ米在一个指定的尺寸。

被更新在第二阶段之前,准确计算模型预测峰值负载但不能捕捉第一负载下降的直接沿着A-D-C-E标本失败。为了解决这个问题,该模型更新诱导损伤材料点较低的应力三轴,从而补偿shear-dominated政权的Gurson模型的表现不佳。结果是明显更好地预测S5标本的第一个负载降低。

6。结论

香港证监会的概念是一个警世故事在列举了几何建模准确韧性断裂可以用几何代表,一个看似精确校准的本构模型,和良好的工程判断。可以得出以下2012桑迪亚的断裂和相关的计算工作提出了挑战。(我)挑战标本没有一个代表几何。根据孔的相对位置超出了钝切口,标本的挑战可能会失败在两种可能的路径之一。(2)使用的计算模型在第一阶段的挑战是建立在标本的挑战与公称尺寸(几何,从未存在过的,一个是只有一个失败路径)的特点。因此,该模型缺乏忠诚解决裂纹路径模棱两可。(3)改善(物理)材料模型应该被纳入未来的研究如果贝叶斯更新相关意外损伤模式。

数字双模式,有可能取代当前的生活结构维护和预测实践,是保持最高水平的个性化在车队管理,从而规避模棱两可的详细。虽然只有几个数字双胞胎进行的必要的活动,即考虑生产的组件的几何形状,其有效性和适用性,甚至小规模的场景,如证监会是显而易见的。通过应用数字双概念,crack-path模糊诊断暗示需要考虑生产的标本。生产(数字双)标本结果实现,预测,和第二轮的建模进行了测试的有效性在确定物理QOIs计算模型。不准确的预测有所补偿,以弥补剪切荷载下的Gurson模型的局限性。

数字双的精神,挑战标本可以解释为一个组件。车队经理采购这些挑战的几个样品组件,在这种情况下,桑迪亚国家实验室,期望他们的行为类似于另一个;然而,当受到相同的加载条件下,他们显然没有。此外,由此产生的行为并不是随机的变化,但可预见的考虑生产的几何和材料模型的改进。大多数标本展出一个当别人失败A-C-E A-D-C-E裂纹路径。标本相同裂纹表现出一个重要的传播路径的负载和鳕鱼,一个观察,可以主要归因于几何,其次是material-scale变化。未来的研究对这个话题应该询问是否可以确定每个样本的分布在,用来进一步个性化组件的数字的双胞胎。因此,需要考虑每个挑战标本作为赋予自己的行为特征是证监会至关重要。在数字双模式,组件不是商品化,个性化。

命名法

	杨氏模量
:	孔隙体积分数
:	临界孔隙体积分数
:	孔隙体积分数在彻底失败
:	有核的体积分数的空洞
:	第三不变量的偏应力张量
,,:	屈服面参数
:	相对密度
:	标准差成核压力
:	低应力三轴破坏引起的
:	意思是成核应变
:	泊松比
:	有效的米塞斯应力
:	屈服应力的完全稠密矩阵
:	3×(静水压力)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢布拉德·博伊斯博士带头的桑迪亚国家实验室2012桑迪亚断裂的挑战以及所有的参与者。安德鲁·格罗斯和德克萨斯大学奥斯汀分校的Ravi-Chandar教授也承认提供的实验数据出现的S11标本。Aida Nonn博士萨尔茨基特曼内斯曼大幅减退GmbH是一家也认可她的援助与多孔金属塑性模型。雅各Hochhalter要感谢支持NASA航空研究所苗基金提供了必要的资源来完成仿真工作。这项研究是通过支持Ross-Tetelman康奈尔大学的奖学金。

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