專利名稱：一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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(cè)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(cè)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)。由于一般母材的尺寸與熱影響區(qū)相比足夠大，故在以往對(duì)此方面的研究中忽略熱影響區(qū)的材料特性，即在對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行有限元數(shù)值建模時(shí)直接將母材采用共節(jié)點(diǎn)連接或者剛性連接，很顯然這種情況下不能考慮焊縫處的材料特性，這種建模方法不足以仿真焊接區(qū)域處材料的真實(shí)力學(xué)特性。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)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)造成不易切割的困難。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，不能滿足實(shí)際工程的需求?；诖藛栴}，在實(shí)際工程中，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)比如拼焊板進(jìn)行各種有限元數(shù)值仿真時(shí)焊縫區(qū)域的材料力學(xué)特性參數(shù)的精確獲取就顯得尤為重要。從以上描述中可以推測(cè)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(cè)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，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)致了焊縫處不同的材料特性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)此處的力學(xué)參數(shù)會(huì)呈現(xiàn)非均勻性分布，即焊縫、熱影響區(qū)處會(huì)有著梯度變化的參數(shù)特征，所以僅通過簡(jiǎn)單的拉伸或者壓縮試驗(yàn)很難確定焊縫區(qū)域處的具體力學(xué)參數(shù)， 并且該處的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系很難通過常規(guī)方法得到，故不能根據(jù)曲線擬合的思路對(duì)其進(jìn)行參數(shù)反求。材料的硬度主要反映了材料抵抗局部塑性變形的能力，并不是材料某個(gè)力學(xué)參數(shù)的單獨(dú)表現(xiàn)。硬度壓痕試驗(yàn)(indentation test)為我們提供了測(cè)定和評(píng)價(jià)毫米級(jí)、微米級(jí)甚至納米級(jí)表征尺寸的材料強(qiáng)度特性，它是一種簡(jiǎn)單、高效的評(píng)價(jià)材料尤其是金屬或其某點(diǎn)周圍表面的力學(xué)性能的手段。隨著各種表面處理技術(shù)的迅速發(fā)展，通過壓痕試驗(yàn)來測(cè)定微小尺度材料的力學(xué)參數(shù)成為研究的一大熱點(diǎn)。在以往的通過壓痕試驗(yàn)來獲取材料參數(shù)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，通過壓痕試驗(yàn)識(shí)別檢測(cè)像焊縫區(qū)域這種材料特性具有連續(xù)性和不均勻性特點(diǎn)的工程結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道。鑒于此思路，通過壓痕試驗(yàn)得到的載荷深度曲線來反求檢測(cè)焊縫不同區(qū)域處的材料參數(shù)成為一種有效的途徑。

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(jiǎn)單、操作方便、能夠測(cè)定毫米甚至微米尺寸范圍內(nèi)材料的局部連續(xù)性能的識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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、對(duì)表面進(jìn)行打磨、拋光以制成標(biāo)準(zhǔn)
試樣；(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)測(cè)得的硬度值進(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)域的載荷-深度曲線；(4)建立并驗(yàn)證壓痕試驗(yàn)有限元模型采用有限元商業(yè)軟件Abaqus并根據(jù)壓痕試驗(yàn)的物理過程建立壓痕試驗(yàn)有限元模型，該模型是否準(zhǔn)確直接影響到求解結(jié)果的精度，故必須對(duì)壓痕試驗(yàn)有限元模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證；首先對(duì)均勻母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以得到其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并通過壓痕試驗(yàn)得到試驗(yàn)載荷-深度曲線；然后，將得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作為已知參數(shù)輸入到壓痕試驗(yàn)有限元數(shù)值模型中得到仿真載荷-深度曲線；將仿真載荷-深度曲線與試驗(yàn)載荷-深度曲線進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證壓痕試驗(yàn)有限元模型的正確性；(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)果以得到焊縫不同區(qū)域處的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，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)，待求參數(shù)以及待求參數(shù)的取值范圍，如式(1)所示；(6)結(jié)合優(yōu)化遺傳算法，設(shè)定該算法初值，初值參數(shù)對(duì)遺傳算法的求解結(jié)果和求解效率都有一定的影響，需要提前設(shè)定的參數(shù)有種群大小M,即種群中所含個(gè)體的數(shù)量，一般取20 100 ；遺傳運(yùn)算的終止迭代次數(shù)T，一般取100 500 ；交叉概率P。，一般取0. 4 0. 99;變異概率Pm，一般取0.0001 0.1。根據(jù)步驟( 所選的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)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)到某種收斂準(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。所述步驟(3)中，通過硬度試驗(yàn)得到的硬度值將焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，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)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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、對(duì)表面進(jìn)行打磨、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)在步驟( 所分區(qū)域中進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到不同區(qū)域的載荷-深度曲線；(4)建立并驗(yàn)證壓痕試驗(yàn)有限元模型根據(jù)壓痕試驗(yàn)的物理過程建立壓痕試驗(yàn)有限元模型并對(duì)壓痕試驗(yàn)有限元模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證；在驗(yàn)證過程中，首先對(duì)均勻母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并通過壓痕試驗(yàn)得到試驗(yàn)載荷-深度曲線；然后，將得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作為已知參數(shù)輸入到壓痕試驗(yàn)有限元數(shù)值模型中得到仿真載荷-深度曲線；將仿真載荷-深度曲線與試驗(yàn)載荷-深度曲線進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證壓痕試驗(yàn)有限元模型的正確性， 直至得到正確的壓痕試驗(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)果以得到焊縫不同區(qū)域處的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，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)，待求力學(xué)性能參數(shù)以及每個(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)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)即是在合適區(qū)間下的最優(yōu)解，從而求出焊縫區(qū)域的靜態(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)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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 式中，Χ1，Χ2，…，I為待求參數(shù)，xf,xr (i = 1，2，…η)分別是待求參數(shù)的上限和下限，F(xiàn)1-(X1，X2,…，Χ )為通過納米壓痕試驗(yàn)得到的連續(xù)壓痕載荷，Kim (X1，X2,…，)為有限元仿真時(shí)求得的壓痕載荷，m為時(shí)間增量步總數(shù)。
全文摘要
一種識(shí)別焊縫不同區(qū)域材料靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)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)得到不同區(qū)域的載荷-深度曲線；(4)建立壓痕實(shí)驗(yàn)有限元模型并對(duì)有限元模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證；(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，根據(jù)所選的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行迭代，得到最優(yōu)解，從而求出焊縫不同區(qū)域的靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、操作方便，能夠測(cè)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)G01N3/40GK102288499SQ201110255869
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湖南大學(xué)