CN108133082B - 一种基于有限元模拟确定压痕应变法中应力测量常数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，属于残余应力测试技术领域。应力测量常数是压痕应变增量与弹性应变的关系系数，一般通过实验标定获得，要求标定试板为无应力状态并具有足够大的尺寸，这给标定实验带来很大难度。该方法首先通过实验获得无应力材料中的压痕应变增量；然后建立有限元模拟标定模型，以零应力下的应变增量为依据，来确定相应材料的压头载荷；最后计算各弹性应变下的应变增量；然后以弹性应变为横坐标、应变增量为纵坐标绘制标定曲线，通过标定曲线实现应力测量常数的非实验标定。本发明能够获得更高准确度和更好规律性的标定曲线，可以作为大多数金属材料的非实验标定方法。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力测试技术领域，具体涉及一种基于有限元模拟确定压痕应变法中应力测量常数的方法。
背景技术
压痕应变法是根据压痕诱导获得的应变变量信息(称为压痕叠加应变增量，简称应变增量)，通过理论分析和数据归纳，最终利用胡克定律而求出构件中残余应力的一种几乎无损的应力测试方法。从测试的准确性出发，它本身只是压痕引起的应变变化，是一个宏观的不依赖于材料微观组织的变化量，只与构件中的应力水平有关，所以准确度只和测试者的水平和应力测量系数的标定结果有关。
应力测量常数(即压痕应变增量与弹性应变的关系系数)的确定是决定应力测量准确与否的关键。应力测量常数的确定都是采用实验标定方法获得，其规律见图1所示。所用的标定试板须要无应力状态，即标定前要对试板进行消除应力处理，试板的应力状态直接影响标定结果的准确性和稳定性。同时，为满足加载条件，试板尺寸也有相应要求，对于无法提供符合条件的标定试板，标定试验无法完成。这就给一些材料是否能够采用压痕应变法测量残余应力带来了很大的局限性。
引用有限元数值模拟技术，可以实现应力测量常数的非实验标定。
现有技术中曾采用模拟计算的方法对特定材料的标定结果进行过研究[文献1：孙渊，王庆明，夏风芳，等.残余应力测量法中压痕标定实验的分析[J].机械制造，2006：44：70-72；文献2：曲鹏程.屈服强度对压痕应变法测量残余应力的影响[D].沈阳：中国科学院金属研究所,2006；文献3：孟宪陆.不同应力场中压痕应变法的数值模拟[D].沈阳：中国科学院金属研究所,2007；文献4：刘生.材料性能和方向性对压痕应变法测量残余应力的影响[D].沈阳：中国科学院金属研究所,2013.]，并获得了一些成果。但是，鉴于模型的局限性，有关结论并不能用于其它类型的材料。其它关于压痕应变法应力测量常数的确定未见报道，且目前没有与本发明相关的专利。本发明旨在建立可以准确获得大部分金属材料标定曲线的通用模型，解决一些金属材料不能实施实验标定和实验标定中误差较大的问题，以提高压痕应变法测试残余应力的精确性和扩大其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元模拟确定压痕应变法中应力测量常数的方法，本发明采用有限元数值模拟方法，进行压痕应变法应力测量常数的非实验标定，能够获得大多数金属材料的应力测量常数，解决实验标定中的各种困难和可能误差，同时该方法较之实验标定结果，规律性更强，准确度更高。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，该方法是采用数值模拟技术实现金属材料应力测量常数的非实验标定，具体包括如下步骤：
(1)通过实验获得无应力材料中的压痕应变增量；
(2)建立有限元模拟标定模型，以步骤(1)实验中获得的零应力下的应变增量为依据，并根据有限元模拟标定模型，来确定相应材料的压头载荷；
(3)基于该材料的拉伸曲线，计算各弹性应变下的应变增量；然后以弹性应变εe为横坐标、应变增量Δε为纵坐标绘制标定曲线，通过标定曲线实现应力测量常数的非实验标定。
上述步骤(3)中，通过该材料的拉伸曲线，获得初始屈服强度σy和屈服应变εy，并进一步计算各弹性应变下的应变增量。
上述步骤(3)中，应力测量常数的非实验标定过程为：在标定曲线中，将施加单向拉伸或压缩应变方向的各点按3次方进行拟合，在高值单向拉伸应力情况下，横向应变输出偏离3次方拟和曲线的各点按直线拟合，由拟合后得到的两个方程计算出的方程系数即为压痕应变法的应力测量常数。
上述步骤(2)中，所建立的有限元模拟标定模型尺寸为48mm×48mm×4mm，最小单元尺寸为0.04mm×0.03mm×0.004mm。
本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明方法能够准确确定大多数金属材料应力测量常数的非实验标定方法，该方法解决了实验标定中的各种困难和可能误差(包括实验误差、标定试板准备、试板零应力处理、标定装置的可靠性等)。
2、本发明通过引入有限元数值模拟技术，通过对动态压入材料的特性分析，以无应力下的应变增量实验数据为依据，基于传统拉伸曲线，针对不同材料动态确定合理的压入载荷，建立可以准确确定应力测量常数的标定模型。模拟标定结果和实验标定结果进行对比验证，证明本发明具有更好的规律性和更高的准确性，可以作为大多数金属材料的非实验标定方法，能够获得更高准确度和更好规律性的标定曲线。
附图说明
图1为实验标定曲线示意图。
图2为模拟标定模型。
图3为铝合金7N01的模拟和标定结果对比。
图4为低合金钢Q345的模拟和标定结果对比。
具体实施方式
以下结合实施例和附图详述本发明，其中实验标定部分按照GB/T24179-2009《金属材料残余应力测定压痕应变法》进行。
本发明为基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，该方法是采用数值模拟技术实现金属材料应力测量常数的非实验标定，具体过程为：首先，通过实验获得材料零应力下的应变增量；然后采用图2所示的数值模拟标定模型，以零应力下的实验数据为依据，来确定相应材料的压头载荷；最后，计算各弹性应变下的应变增量，获得标定曲线，实现应力测量常数的非实验确定。
本发明方法中，模型尺寸和单元大小应适当才能保证计算精度，并降低运算成本。本模型采用48×48×4mm，最小单元尺寸为0.04×0.03×0.004mm。
实施例1：
首先获得铝合金7N01材料的拉伸性能曲线，得到初始屈服强度σy和屈服应变εy。通过实验获得无应力材料中的压痕应变增量。建立有限元模拟标定模型，压头直径φ1.588mm。以实验得到的无应力下的应变增量为依据，确定压头静载压入的载荷大小。相应的，获得在-0.9εy～0.9εy区间单向拉伸或压缩条件下任意弹性应变和应变增量的关系。将施加单向拉伸或压缩应变方向的结果按3次方进行拟合，与其垂直方向的结果若偏离3次方拟和曲线可按直线拟合，获得的方程系数即为压痕应变法的应力测量常数。
图3为铝合金7N01材料的有限元模拟结果和实验结果的对比图(仅以加载方向的模拟曲线和实验数据示例)。对比结果显示，模拟标定结果和实验标定结果呈现很好的一致性。由于实验时标定试板状态的影响和操作时不可避免的误差，导致实验标定数据较为分散，而模拟标定数据表现出了更好的规律性。
实施例2：
首先获得Q345低合金钢材料的拉伸性能曲线，得到初始屈服强度σy和屈服应变εy。通过实验获得无应力材料中的压痕应变增量。建立有限元模拟标定模型，压头直径1.588mm。以实验得到的无应力下的应变增量为依据，确定压头静载压入的载荷大小。相应的，获得在-0.9εy～0.9εy区间单向拉伸或压缩条件下任意弹性应变和应变增量的关系。将施加单向拉伸或压缩应变方向的结果按3次方进行拟合，与其垂直方向的结果若偏离3次方拟和曲线可按直线拟合，获得的方程系数即为压痕应变法的应力测量常数。
图4为Q345材料的有限元模拟结果和实验结果的对比图(仅以加载方向的模拟曲线和实验数据示例)。对比结果显示，模拟标定结果和实验标定结果呈现很好的一致性。由于实验时标定试板状态的影响和操作时不可避免的误差，导致实验标定数据较为分散，而模拟标定数据表现出了更好的规律性。
Claims (3)
1.一种基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，其特征在于：该方法是采用数值模拟技术实现金属材料应力测量常数的非实验标定，具体包括如下步骤：
（1）通过实验获得无应力材料中的压痕应变增量；
（2）建立有限元模拟标定模型，以步骤（1）实验中获得的零应力下
的应变增量为依据，并根据有限元模拟标定模型，来确定相应材料的压头载荷；
（3）基于该材料的拉伸曲线，计算各弹性应变下的应变增量；然后以弹性应变为横坐标、应变增量为纵坐标绘制标定曲线，通过标定曲线实现应力测量常数的非实验标定；应力测量常数的非实验标定过程为：在标定曲线中，将施加单向拉伸或压缩应变方向的各点按3次方进行拟合；在高值单向拉伸应力情况下，横向应变输出偏离3 次方拟和曲线的各点按直线拟合，由拟合后得到的两个方程计算出的方程系数即为压痕应变法的应力测量常数。
2.根据权利要求1所述的基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，其特征在于：步骤（3）中，通过该材料的拉伸曲线，获得初始屈服强度和屈服应变，并进一步计算各弹性应变下的应变增量。
3.根据权利要求1所述的基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，其特征在于：步骤（2）中，所建立的有限元模拟标定模型尺寸为48mm×48mm×4mm，最小单元尺寸为0.04mm×0.03mm×0.004mm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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