连续球压痕法金属材料拉伸性能试验和仿真研究
发布时间：2021-03-10 05:00
连续球压痕方法因其具有易操作性、非破坏性以及适用于局部薄弱区域等特点适用于现场在役设备金属材料力学性能的无损检测,其结果的准确性已得到广泛认可。然而在现场压痕试验中可能遇到特殊的测试条件,例如被测试样厚度过薄和可压入的表面区域受限等,这类试验因素将对压痕测试结果造成何种影响以及如何消除这类影响是研究人员所关心的。对于工程中应用较为广泛的幂硬化和线硬化型金属材料,如何在压痕参数计算过程中对这两类材料进行区分以及如何选择合适的本构关系对计算结果进行拟合同样值得关注。因此本文开展了连续球压痕试验和有限元仿真研究,分析试验因素和压痕参数对压痕结果的影响,并对幂硬化和线硬化金属材料拉伸性能的表征过程进行研究,得到材料本构关系的判断与选择方法。本文对压痕参数表征方法进行研究。确定了计算接触刚度时拟合数据的选取范围以及计算方法:选取每个卸载段100%85%最大压痕载荷范围内的压痕载荷-深度数据,先根据Doerner-Nix方法确定参数初值后再通过Oliver-Pharr方法进行拟合,循环迭代至两次结果间的偏差小于设定误差后输出最终结果;比较分析了不同表征应变公式的计算结果,得到...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表征应力-应变法原理
上海交通大学硕士学位论文-4-的力学模型转换为一组表征应力-应变数据点，并使这一系列数据点与材料的本构方程进行拟合[37]，比如常见的线弹-幂硬化材料满足Hollomon关系，再根据相应准则计算材料的拉伸性能。其优势在于属于确定性算法分析效率比较高，不依赖于计算模拟，并且有着充足的试验数据验证该方法的准确性，因此将在本文进行深入讨论。1.3.2基于有限元分析的反选分析法如果被测材料的本构关系比较复杂，寻求半解析解或经验解将面临巨大困难，基于有限元数值分析的压痕试验数据反选分析的方法较为适合求解复杂力学问题[38-40]。其主要计算过程为使用有限元数值仿真向前分析预先计算的无量纲函数，并将此结果与试验结果进行比对，反复迭代至两者相吻合，如图1-2所示。受益于计算机硬件和并进计算的发展，该方法计算规模大导致的低效率问题正得到逐步改善。图1-2基于FEA的反选分析法的部分逻辑Fig.1-2PartiallogicofinverseanalysisbyFEA1.3.3人工神经网络法人工神经网络法是一种常用的非线性统计分析方法，结合压痕试验的有限元分析结果对大量已知压痕载荷-深度数据进行统计和归纳，建立起被测试样材料压痕响应和力学参数间的复杂映射关系，其中误差反向传播神经网络较多被使用，如图1-3所示。如Sharma[41]等在其研究中为了表征碳锰钢及不锈钢的力学性能，构建了六层前馈感知器网络，五层由中间神经元组成。一旦完成训练，人工神经网络法能够同时兼顾计算效率和稳定性。缺点在于该方法需要结合足量的学习样进行有限元仿真初始化A0=(a1,0,a2,0,….an,0)更新参数Ai=(a1,i,a2,i,….an,i)比较仿真-压痕试验误差输出提取数据≤e>eP-H曲线接触刚度压痕形貌…….
上海交通大学硕士学位论文-5-本、适合的激励函数和合理的网络结构进行耗时的训练，对于不同材料需要单独进行训练。图1-3误差反向传播神经网络原理Fig.1-3Principleofbackpropagationneuralnetwork1.4连续球压痕方法的特点1.4.1与单轴拉伸试验的比较与单轴拉伸试验相比，连续球压痕法的特点在于：1.被测试样制备与测试性质：对在役设备进行测试时，单轴拉伸试验需要在受检区域进行取样，并遵循相关标准通过机械加工制备一定尺寸的拉伸件，具有一定破坏性；连续球压痕法需要在受检区域表面进行打磨抛光处理，去除表面氧化层以及降低表面粗糙度，压痕试验之后被测表面残余微米尺寸的凹痕，不影响设备的继续服役，属于非破坏性测试。2.材料属性表征尺度：在拉伸过程中，得到的应力-应变数据为有效标距内材料的平均响应，因此得到的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等材料属性为区域的平均；连续球压痕测量得到的力学响应来自压痕点附近微小体积的材料，具有高分辨率测试和进行属性映射的优点，能够表征材料局部属性的分布梯度。例如该方法适用于焊缝附近热影响区域材料属性的测量，能够测量材料属性的变化梯度，并避免了不规则形状对测试的限制。3.测试环境：单轴拉伸试验常用的拉伸试验机大多体积较大而不便于移动携带，属于适用于实验室的常规测试方法；连续球压痕检测仪结构相对简单，便携性能较好，可用于现场测试。4.测量方式：单轴拉伸试验能够直接得到被测材料的应力-应变响应，从而直接计算得到材料参数，属于直接测量；连续球压痕试验中需要对压痕载荷-深度数据进行处理，通过特定力学模型推导出被测材料的真实应力-应变曲线，再输入层隐含层输出层误差反向传播信息正向传播XnYn
本文编号：3074095
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表征应力-应变法原理
上海交通大学硕士学位论文-4-的力学模型转换为一组表征应力-应变数据点，并使这一系列数据点与材料的本构方程进行拟合[37]，比如常见的线弹-幂硬化材料满足Hollomon关系，再根据相应准则计算材料的拉伸性能。其优势在于属于确定性算法分析效率比较高，不依赖于计算模拟，并且有着充足的试验数据验证该方法的准确性，因此将在本文进行深入讨论。1.3.2基于有限元分析的反选分析法如果被测材料的本构关系比较复杂，寻求半解析解或经验解将面临巨大困难，基于有限元数值分析的压痕试验数据反选分析的方法较为适合求解复杂力学问题[38-40]。其主要计算过程为使用有限元数值仿真向前分析预先计算的无量纲函数，并将此结果与试验结果进行比对，反复迭代至两者相吻合，如图1-2所示。受益于计算机硬件和并进计算的发展，该方法计算规模大导致的低效率问题正得到逐步改善。图1-2基于FEA的反选分析法的部分逻辑Fig.1-2PartiallogicofinverseanalysisbyFEA1.3.3人工神经网络法人工神经网络法是一种常用的非线性统计分析方法，结合压痕试验的有限元分析结果对大量已知压痕载荷-深度数据进行统计和归纳，建立起被测试样材料压痕响应和力学参数间的复杂映射关系，其中误差反向传播神经网络较多被使用，如图1-3所示。如Sharma[41]等在其研究中为了表征碳锰钢及不锈钢的力学性能，构建了六层前馈感知器网络，五层由中间神经元组成。一旦完成训练，人工神经网络法能够同时兼顾计算效率和稳定性。缺点在于该方法需要结合足量的学习样进行有限元仿真初始化A0=(a1,0,a2,0,….an,0)更新参数Ai=(a1,i,a2,i,….an,i)比较仿真-压痕试验误差输出提取数据≤e>eP-H曲线接触刚度压痕形貌…….
上海交通大学硕士学位论文-5-本、适合的激励函数和合理的网络结构进行耗时的训练，对于不同材料需要单独进行训练。图1-3误差反向传播神经网络原理Fig.1-3Principleofbackpropagationneuralnetwork1.4连续球压痕方法的特点1.4.1与单轴拉伸试验的比较与单轴拉伸试验相比，连续球压痕法的特点在于：1.被测试样制备与测试性质：对在役设备进行测试时，单轴拉伸试验需要在受检区域进行取样，并遵循相关标准通过机械加工制备一定尺寸的拉伸件，具有一定破坏性；连续球压痕法需要在受检区域表面进行打磨抛光处理，去除表面氧化层以及降低表面粗糙度，压痕试验之后被测表面残余微米尺寸的凹痕，不影响设备的继续服役，属于非破坏性测试。2.材料属性表征尺度：在拉伸过程中，得到的应力-应变数据为有效标距内材料的平均响应，因此得到的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等材料属性为区域的平均；连续球压痕测量得到的力学响应来自压痕点附近微小体积的材料，具有高分辨率测试和进行属性映射的优点，能够表征材料局部属性的分布梯度。例如该方法适用于焊缝附近热影响区域材料属性的测量，能够测量材料属性的变化梯度，并避免了不规则形状对测试的限制。3.测试环境：单轴拉伸试验常用的拉伸试验机大多体积较大而不便于移动携带，属于适用于实验室的常规测试方法；连续球压痕检测仪结构相对简单，便携性能较好，可用于现场测试。4.测量方式：单轴拉伸试验能够直接得到被测材料的应力-应变响应，从而直接计算得到材料参数，属于直接测量；连续球压痕试验中需要对压痕载荷-深度数据进行处理，通过特定力学模型推导出被测材料的真实应力-应变曲线，再输入层隐含层输出层误差反向传播信息正向传播XnYn
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