CN107729596A - 一种用于材料损伤计算的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于材料损伤计算的方法，包括以下步骤：(1)将待测材料进行CT扫描，然后通过VG Studio软件统计得到待测材料的扫描区域的Nm、Nc、Am和Ac；(2)通过Diego算法将步骤(1)获取的参数计算得到待测材料扫描区域的孔隙率ρ和损伤面积分数ra，然后得到最大的损伤面积分数(3)通过MIMICS将步骤(1)的三维模型转化为三维有限元模型，利用Abaqus进行损伤仿真分析，计算得到有效弹性模量；(4)将步骤(3)有限元分析计算得到的有效弹性模量与数据库进行比较，得到待测材料的疲劳损伤的程度。与现有技术相比，本发明可以在不破坏材料的情况下，快速的计算材料损伤值并进行寿命预测，且准确度较高。

Description

一种用于材料损伤计算的方法
技术领域
本发明涉及材料疲劳损伤技术领域，具体涉及一种用于材料损伤计算的方法。
背景技术
随着铝合金大量应用的同时，使用过程中疲劳载荷也越来越高，汽车安全法规也越来越严格，因此，对铝合金在循环载荷下的疲劳力学行为研究就变得越来越迫切和重要。但是，目前对材料疲劳损伤评价的方法有限，无法准确获取材料内部微观缺陷特性，且评价的结果往往与真实值产生较大的差别。
近来常规的无损检测技术：射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流探伤等可以在不破坏材料的前提下直接得到内部缺陷，如专利CN 106770692A公开了一种材料内部疲劳损伤检测方法，包括：采用相位相反的两路激励信号测试待测试样，得到两路接收信号；将所述两路接收信号叠加，得到接收信号的高次谐波信号；对所述高次谐波信号进行傅立叶变换得到其幅值，并依据高次谐波的幅值和基波的幅值计算待测试样的非线性系数；重复上述步骤，得到待测试样的各疲劳周次非线性系数的变化曲线；上述方法述与超声检测。再如专利CN 105973732A公开了一种温度振动疲劳试验的在线加载装置和方法，所述装置包括：温度箱、阻抗头、激振杆、激振器和测控***；所述温度箱与所述测控***连接，所述温度箱的预设高度处四周设有玻璃窗口；所述阻抗头固定于温度箱内部的试验件表面，同时与所述激振杆的第一端和所述测控***连接；所述激振杆的第一端穿过所述温度箱侧壁上方的孔与所述阻抗头连接，第二端与所述激振器连接；所述激振器设于所述温度箱带孔的一侧，与所述测控***连接，上述方法述与射线检测。但是，上述检测方法所用仪器成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本的用于材料损伤计算的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于材料损伤计算的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将待测材料进行CT扫描，获取材料内部微观缺陷特性的二维连续切片图像，并将二维切片图像重构为包含微观缺陷特性的三维模型，这种重构可以通过CT扫描设备自行完成，统计得到待测材料的扫描区域的材料体素Nm、裂纹体素数量Nc以及扫描区域某一截面上材料体素Am和裂纹体素的数量Ac；
(2)通过Diego算法将步骤(1)获取的参数计算得到待测材料扫描区域的孔隙率ρ和损伤面积分数ra，然后得到最大的损伤面积分数
(3)将步骤(1)所得参数以及步骤(2)所得结算结果输入MIMICS软件，并通过MIMICS将步骤(1)的三维模型转化为三维有限元模型，利用Abaqus进行损伤仿真分析，计算得到有效弹性模量；
(4)将步骤(3)有限元分析计算得到的有效弹性模量与数据库进行比较，得到待测材料的疲劳损伤的程度。
通过工业CT无损检测、三维重构以及有限单元法可以在不破坏材料的情况下，快速的计算材料损伤值并进行寿命预测。
所述CT扫面为X-Ray CT扫描。
从三维模型统计得到Nm、Nc、Am和Ac采用VG Studio软件统计得到。
所述的Diego算法包括以下公式：
其中，i、j、k为扫描区域中相互垂直的三个方向。
所述Abaqus软件进行损伤仿真分析时采用以下公式计算得到：
其中，F为待测材料使用时的加载力，A为试样测试区横截面积，L为试样测试区长度，ΔL为待测材料所受应力下的纵向变形量。
所述数据库通过以下方法得到：取与待测材料相同材质的标准材料，进行阶段性疲劳加载直至标准材料完全破坏，并计算每个阶段的有效弹性模量，得到有效弹性模量与疲劳阶段的对应关系，即为数据库。
所述待测材料的疲劳损伤的程度通过以下方法得到：将有限元分析计算得到的有效弹性模量与数据库中的有效弹性模量进行比较，确定待测材料对应的疲劳阶段。有效弹性模量与损伤程度呈负相关。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)本发明利用工业CT无损检测、三维重构以及有限单元法，可以在不破坏材料的情况下，快速的计算材料损伤值并进行寿命预测；
(2)检测结果与真实结果相比，误差在10％以内。
附图说明
图1为本发明中Diego算法所用i、j、k平面示意；
图2为对比例中铝合金试样弹性模量与疲劳加载次数的对应关系图；
图3为实施例1与对比例中弹性模量与疲劳加载次数的对应关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
对比例1
取铝合金试样，进行疲劳试验，疲劳试验仪器为MTS810，试验机最大拉力25KN，静力行程183mm，动态行程152mm。采用的最大试验载荷为4300N，应力比R为0.1，试验频率为10Hz，首先通过大量试验得到试样经20000次疲劳循环断裂的载荷值为4300N，对试样在4300N疲劳载荷下分别进行阶段性加载直至完全破坏。通过对疲劳试验数据的处理可以得到材料弹性模量的变化。结果如图2所示。
从图中可以看出，弹性模量随循环次数的增加整体呈下降趋势。开始阶段，下降速率比较小，弹性模量变化比较小；在接近临界疲劳循环点附近，下降的速率变大。这说明铝合金在受到疲劳循环载荷作用下，开始阶段裂纹萌生和增长缓慢，材料损伤退化率很小，当接近疲劳极限值时(本实验21200次)微观缺陷迅速增加，材料承载面积减小，弹性模量退化明显，出现瞬间断裂。
实施例1
取与对比例相同的铝合金试样，经过4000周次、8000周次、12000周次、16000周次、20000周次的疲劳循环实验，得到的五个不同阶段的损伤试件进行CT扫描，CT***的电流和电压对缺陷的识别非常重要，本次扫描设定CT的电压至少为120伏，电流为80毫安。
利用Diego算法对CT扫描的数据进行三维重构和损伤分析，其中Diego算法的公式如下：
式中，Nm和Nc分别指扫描材料区域的材料体素和裂纹体素数量。Am和Ac是扫描材料区域某一横截面上材料体素和裂纹体素的数量。ρ和ra分别代表孔隙率和损伤面积分数。是在所有i,j,k方向截面上最大的损伤面积分数。在这里，最大面积分数是指在扫描材料区域内任何可能位置的一个坐标方向上的最大损伤面积分数，具体如图1所示。
通过运行XCT.exe(Diego算法的可执行性文件)自动加载试样扫描数据，简单进行相关设置后即可在DOS窗口中输出孔隙率、损伤面积分数等需要的参量。下表是不同疲劳损伤试样通过Diego算法计算得到的孔隙率和损伤面积分数的数值计算结果。
表基于Diego算法损伤参量数值计算结果
Diego算法对一个试样输出460张二维切片，将该切片在MIMICS中进行进行三维重构并进行网格划分后将网格导入ABAQUS进行试样的弹塑性分析。
由已有的研究和本文实验可知，随着循环次数的增加，即损伤的增加，弹性模量和剩余强度都会减小，呈负相关关系。本文定义有效弹性模量描述其随损伤变化关系，有效弹性模量的计算方法为：通过仿真计算得到在该应力下的纵向变形，则此时的应变即为，有效弹性模量计算公式如下：
经计算后，通过本实施例得到的E与对比例1的弹性模量E的结果如图3所示，与对比例的弹性模量进行比较后，误差在10％以内。因此，通过对比发现，本发明通过CT无损检测、三维重构以及有限单元法得到的有效弹性模量随疲劳循环次数的增加变化趋势明显，且误差在10％以内，可以作为评价疲劳损伤的重要参量。

Claims (7)

1.一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将待测材料进行CT扫描，获取材料内部微观缺陷特性的二维连续切片图像，并将二维切片图像重构为包含微观缺陷特性的三维模型，然后统计得到待测材料的扫描区域的材料体素Nm、裂纹体素数量Nc以及扫描区域某一截面上材料体素Am和裂纹体素的数量Ac；
(2)通过Diego算法将步骤(1)获取的参数计算得到待测材料扫描区域的孔隙率ρ和损伤面积分数ra，然后得到最大的损伤面积分数
(3)将步骤(1)所得参数以及步骤(2)所得结算结果输入MIMICS软件，并通过MIMICS将步骤(1)的三维模型转化为三维有限元模型，利用Abaqus进行损伤仿真分析，计算得到有效弹性模量；
(4)将步骤(3)有限元分析计算得到的有效弹性模量与数据库进行比较，得到待测材料的疲劳损伤的程度。
2.根据权利要求1所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，所述CT扫面为X-Ray CT扫描。
3.根据权利要求1所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，从三维模型统计得到Nm、Nc、Am和Ac采用VG Studio软件统计得到。
4.根据权利要求1所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，所述的Diego算法包括以下公式：
<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
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其中，i、j、k为扫描区域中相互垂直的三个方向。
5.根据权利要求1所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，所述Abaqus软件进行损伤仿真分析时采用以下公式计算得到：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mi>A</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>L</mi> <mo>/</mo> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，F为待测材料使用时的加载力，A为试样测试区横截面积，L为试样测试区长度，ΔL为待测材料所受应力下的纵向变形量。
6.根据权利要求1所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，所述数据库通过以下方法得到：取与待测材料相同材质的标准材料，进行阶段性疲劳加载直至标准材料完全破坏，并计算每个阶段的有效弹性模量，得到有效弹性模量与疲劳阶段的对应关系，即为数据库。
7.根据权利要求6所述的一种用于材料损伤计算的方法，其特征在于，所述待测材料的疲劳损伤的程度通过以下方法得到：将有限元分析计算得到的有效弹性模量与数据库中的有效弹性模量进行比较，确定待测材料对应的疲劳阶段。
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