專利名稱：一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到機(jī)械工程制造中的材料檢測領(lǐng)域，特指一種焊縫區(qū)域材料力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法。
背景技術(shù)：
在對(duì)金屬板材進(jìn)行焊接過程中，由于電阻熱的影響，焊接區(qū)域的材料特性會(huì)發(fā)生變化，這就使該區(qū)域的動(dòng)態(tài)性能也有別于母材，按照硬度的特征可以將焊接區(qū)域分成三個(gè)子區(qū)域母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)。在以往對(duì)此方面的分析當(dāng)中，由于一般母材的尺寸與熱影響區(qū)相比足夠大，故熱影響區(qū)可以忽略，即進(jìn)行有限元數(shù)值建模時(shí)焊接區(qū)域采用共節(jié)點(diǎn)連接或者剛性連接，這種建模方式是不能考慮焊縫處的材料特性，顯然這種建模方法不足以仿真焊接區(qū)域處的接近真實(shí)的材料的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)與現(xiàn)場的真實(shí)情況具有較大的差別。學(xué)者Abdullah等人利用“混合法”在等應(yīng)變假設(shè)的基礎(chǔ)上得到焊縫處的參數(shù)特性，C. H. Cheng等通過單獨(dú)對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并借用圖像處理系統(tǒng)記錄拉伸過程中焊縫處真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，以此得到焊縫的較為真實(shí)的力學(xué)參數(shù)，然而，通過上訴方法得到焊縫區(qū)域參數(shù)均是以該處材料特性的均勻性為前提的，即強(qiáng)化系數(shù)或者應(yīng)變硬化指數(shù)均是定值，并且單獨(dú)對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸時(shí)，由于該處的寬度較小，會(huì)造成焊縫試件制備的困難。然而，通過顯微硬度試驗(yàn)得知該區(qū)域的力學(xué)性能參數(shù)并非均勻分布，因此根據(jù) “混合法”或者單獨(dú)對(duì)其單向拉伸獲取的焊縫力學(xué)參數(shù)與實(shí)際情況會(huì)有較大的偏差，最后也會(huì)影響所研究問題(比如拼焊板結(jié)構(gòu)零件沖壓或者碰撞)的有限元模型的精確性，因此根據(jù)“混合法”獲取的焊縫力學(xué)參數(shù)不能滿足實(shí)際工程的需求，而且這些參數(shù)都是針對(duì)靜態(tài)條件下的情況而言的。從以上描述中可以推測出目前對(duì)焊縫區(qū)域的參數(shù)獲取主要集中在其宏觀彈塑性力學(xué)行為的表征和測試上，由于焊縫區(qū)域處本身微觀組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)于鋼鐵金屬而言，焊縫中間處金相組織包括馬氏體和貝氏體，然而熱影響區(qū)有著混合金相組織，既有馬氏體、貝氏體，又有鐵素體和珠光體，這些不同的金相組織導(dǎo)致了不同的材料特性，故此處的力學(xué)參數(shù)尤其是在動(dòng)態(tài)條件下會(huì)呈現(xiàn)非均勻性分布，即焊縫區(qū)、熱影響區(qū)處會(huì)有著不同的參數(shù)，所以僅通過簡單的拉伸、壓縮試驗(yàn)或者一般的霍普金森壓桿試驗(yàn)是很難確定焊縫各區(qū)域處的具體動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。另外，在動(dòng)態(tài)條件下的材料參數(shù)會(huì)隨著應(yīng)變率的變化而變化，因而從靜態(tài)硬度得到的力學(xué)參數(shù)無法反映出拼焊板在碰撞這種在高應(yīng)變率下的焊縫材料的動(dòng)態(tài)行為。基于此問題，在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)比如拼焊板進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)有限元數(shù)值仿真時(shí)焊縫區(qū)域的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)的精確獲取就顯得尤為重要。硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力，顯微硬度壓痕試驗(yàn)為我們提供了測定和評(píng)價(jià)微米級(jí)甚至納米級(jí)的表征尺寸的材料強(qiáng)度特性。以往的研究工作中，不管是針對(duì)傳統(tǒng)金屬材料還是像泡沫金屬這樣的新型材料，都是建立在這些材料參數(shù)均勻分布的基礎(chǔ)上的， 而且大都集中于材料靜態(tài)參數(shù)的識(shí)別上，還沒有通過動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)來測定材料的動(dòng)態(tài)參數(shù)的檢測方法和技術(shù)。動(dòng)態(tài)硬度壓痕試驗(yàn)為我們提供了測定和評(píng)價(jià)更小的表征尺寸甚至是納米級(jí)的材料強(qiáng)度特性，是一種評(píng)價(jià)材料尤其是金屬或材料某點(diǎn)周圍表面的力學(xué)性能的方法，利用應(yīng)力脈沖作用在與試樣接觸的剛性壓頭上，使試樣表面形成動(dòng)態(tài)壓痕，進(jìn)而測得材料的動(dòng)態(tài)壓痕硬度和動(dòng)態(tài)材料特征曲線，動(dòng)態(tài)硬度試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變率可以高達(dá)到103-104/s， 切實(shí)反映了材料抵抗壓頭動(dòng)態(tài)壓入變形的能力，并且這種測試快捷方便、試樣無破壞，能夠體現(xiàn)出材料在復(fù)雜三向應(yīng)力狀態(tài)下高應(yīng)變率效應(yīng)的重要參數(shù)特性。另一方面，通過動(dòng)態(tài)霍普金森壓桿試驗(yàn)基本方程即反射信號(hào)￡i(t)、透射信號(hào)、(t)、彈性模量E、波速Ctl、試件的初始橫截面積A0和初始厚度Ltl就可以推導(dǎo)出試件的平均應(yīng)力巧⑴和平均應(yīng)變6⑴之間的關(guān)系，這樣就可以擬合出均勻材料的力學(xué)參數(shù)。然而在識(shí)別檢測焊縫不同區(qū)域的材料動(dòng)態(tài)性能參數(shù)時(shí)，焊縫待測區(qū)域的初始橫截面積A0難以確定，甚至無法確定，因此，通過動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)并不能推導(dǎo)出該區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，直接導(dǎo)致不能通過常規(guī)的擬合方法獲得該區(qū)域的確切的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、操作方便、能夠測定毫米甚至微米尺寸范圍內(nèi)焊縫各局部區(qū)域材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于，步驟為(1)制備焊縫壓痕試驗(yàn)試件將試樣進(jìn)行切割、打磨、拋光以制成標(biāo)準(zhǔn)試件；(2)對(duì)于步驟(1)所制備的試樣，在垂直焊縫方向上的整個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)選取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，根據(jù)所得硬度值進(jìn)行分區(qū)；(3)在所分區(qū)域進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)載荷-深度曲線；(4)建立數(shù)值模型根據(jù)壓痕試驗(yàn)的物理過程建立壓痕實(shí)驗(yàn)有限元簡化模型；(5)根據(jù)壓痕試驗(yàn)有限元數(shù)值模型的模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成焊縫不同區(qū)域處的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中包含目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)、待檢測的參數(shù)和每個(gè)參數(shù)的取值范圍；(6)結(jié)合優(yōu)化遺傳算法，設(shè)定運(yùn)行初值參數(shù)，根據(jù)步驟( 所選的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型不斷迭代逼近每個(gè)選取點(diǎn)的試驗(yàn)曲線，迭代的過程中若達(dá)到收斂準(zhǔn)則，則迭代終止，該迭代步下的力學(xué)參數(shù)即是在某合適區(qū)間下的最優(yōu)解，從而求出焊縫區(qū)域的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)所述步驟(3)中，在所分區(qū)域進(jìn)行至少三個(gè)壓痕試驗(yàn)。所述目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為下式
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于，步驟為(1)制備焊縫壓痕試驗(yàn)試件將試樣進(jìn)行切割、打磨、拋光以制成標(biāo)準(zhǔn)試件；(2)對(duì)于步驟(1)所制備的試樣，在垂直焊縫方向上的整個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)選取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，根據(jù)所得硬度值進(jìn)行分區(qū)；(3)在所分區(qū)域進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)載荷-深度曲線；(4)建立數(shù)值模型根據(jù)壓痕試驗(yàn)的物理過程建立壓痕實(shí)驗(yàn)有限元簡化模型；(5)根據(jù)壓痕試驗(yàn)有限元數(shù)值模型的模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成焊縫不同區(qū)域處的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中包含目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)、待檢測的參數(shù)和每個(gè)參數(shù)的取值范圍；(6)結(jié)合優(yōu)化遺傳算法，設(shè)定運(yùn)行初值參數(shù)，根據(jù)步驟( 所選的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型不斷迭代逼近每個(gè)選取點(diǎn)的試驗(yàn)曲線，迭代的過程中若達(dá)到收斂準(zhǔn)則，則迭代終止， 該迭代步下的力學(xué)參數(shù)即是在某合適區(qū)間下的最優(yōu)解，從而求出焊縫區(qū)域的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中，在所分區(qū)域進(jìn)行至少三個(gè)壓痕試驗(yàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于所述目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為下式
全文摘要
一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測方法，其步驟為(1)制備焊縫壓痕試驗(yàn)試件；(2)在試樣垂直焊縫方向上的整個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)選取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，根據(jù)所得硬度值進(jìn)行合理分區(qū)；(3)在所分區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)，得到不同區(qū)域的載荷-深度曲線；(4)建立動(dòng)態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)有限元模型；(5)根據(jù)壓痕試驗(yàn)有限元數(shù)值模型的模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成焊縫不同區(qū)域處的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；(6)結(jié)合優(yōu)化遺傳算法，用目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)迭代，出焊縫不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。本發(fā)明原理簡單、操作方便，能夠測定毫米甚至微米尺寸范圍內(nèi)材料的局部力學(xué)性能參數(shù)，拓展了壓痕實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01N3/42GK102313677SQ20111025544
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者付磊, 孫光永, 徐峰祥, 李光耀 申請人:湖南大學(xué)