Page 42 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 康正东，等： 基于人工神经网络的金属材料本构模型在显式有限元中的实现 第 3 期

的子程序，缺乏通用化与自动化的实现路径，限制了 ANN 模型在工程动力学模拟中的推广应用。本文
通过研究自动化转换取代繁琐的编程工作，为复杂金属材料的数值分析提供高效率和良好扩展性的解
决途径。
综上所述，现有的神经网络模型虽然在材料的宏微观建模以及数值实现方面取得了一定进展，但其
通用性仍然不足，并且在极端服役条件下缺乏系统性的验证。为此，本文开发一种基于 FORTRAN 的自
动代码生成框架，可将训练完成的 ANN 模型高效转换为 VUHARD 子程序形式，从而实现其在 Abaqus/
Explicit 显式有限元中的直接嵌入与调用。通过典型工况下的有限元模拟对比，系统评估 ANN 模型对比
解析本构模型的数值表现与预测精度，验证机器学习方法在复杂材料本构建模中的可行性与潜在优势。

1 CoCrFeNiMn 高熵合金的力学行为及其理论模型

1.1 CoCrFeNiMn 高熵合金的力学性能分析
以 CoCrFeNiMn 高熵合金为研究对象，开展了不同温度和应变率下的单轴压缩实验。准静态压缩
−1
实验采用 Instron5969 万能材料试验机，应变率为 0.02 s ，试样尺寸为 ∅ 6 mm×9 mm 的圆柱体。动态冲击
实验采用分离式霍普金森压杆装置，其对应应变率为 2 000 s ，试样尺寸为 ∅ 6 mm×5 mm 的圆柱体。静
−1
动态实验温度均为 20、600、800 和 1 000 ℃，每种工况下均得到 2～3 组重复性较好的实验数据，得到的
工程应力-应变曲线如图 1 所示。

1 800
1 000
20 ℃ 1 500 20 ℃
800 600 ℃ 600 ℃
800 ℃ 1 200 800 ℃
1 000 ℃
1 000 ℃
4tress/MPa 600 4tress/MPa 900
400
600
200 300

0 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Strain Strain
·
·
(a) ε=0.02 s −1 (b) ε=2 000 s −1
图 1 不同工况下 CoCrFeNiMn 高熵合金的工程应力-应变曲线
Fig. 1 Engineering stress-strain curves of CoCrFeNiMn high-entropy alloy under different deformation conditions
图 1 展示了不同温度与应变率条件下 CoCrFeNiMn 高熵合金的应力-应变曲线。在准静态的加载条
件下，随着温度从 20 ℃ 升高到 1 000 ℃，CoCrFeNiMn 高熵合金塑性应变为 0.2 时的应力从 814 MPa 降
至 136 MPa；而在 2 000 s 的应变率下，其应变为 0.2 时的应力从 1 382 MPa 降至 209 MPa。随温度的升
−1
高，CoCrFeNiMn 高熵合金呈现显著的热软化行为。不同应变率下，CoCrFeNiMn 高熵合金的应力变化也
−1
−1
十分明显。在 20 ℃ 时，应变率从 0.02 s 提高至 2 000 s ，CoCrFeNiMn 高熵合金塑性应变为 0.2 时的应
力分别从 814 MPa 升至 1 382 MPa；在 1 000 ℃ 时，对应的应力从 136 MPa 升至 209 MPa。材料在高应变
率下表现出明显的应变率强化效应，这种差异主要源于不同加载速率下位错演化机制的变化 [19] 。材料
的变形行为对温度和应变率高度敏感，高温促进位错的热激活运动，降低材料的抗变形能力；而高应变
率下，塑性变形持续时间极短，位错密度迅速积累且热扩散受限，导致热软化效应受抑制，从而增强应变
率强化作用。
在相同温度和应变率下，应力随应变的变化反映了应变硬化与热软化的竞争关系。以 20 ℃、0.02 s −1
工况为例，压缩初始阶段应力迅速上升，表现出明显的加工硬化；当应变超过约 0.05 后，硬化速率降低，

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