專利名稱：用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管材塑性加工技術(shù)領(lǐng)域中一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材力學(xué)性能參數(shù)的試樣及測試方法。
背景技術(shù)：
管類構(gòu)件由于能夠滿足對產(chǎn)品輕量化、強韌化等方面的迫切要求，在汽車、航空和航天等高技術(shù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的重視和應(yīng)用。管材在液壓脹形和數(shù)控彎曲等成形過程中，其塑性流動和變形行為非常復(fù)雜，管材受到雙向拉/壓的復(fù)雜應(yīng)力加載，而為了制定合理的工藝參數(shù)以及實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)值建模分析，迫切需要獲得準(zhǔn)確的能夠反映管材雙向拉/ 壓應(yīng)力狀態(tài)下的材料性能參數(shù)。目前，管材性能參數(shù)獲取方法主要包括傳統(tǒng)的單向拉伸、環(huán)向拉伸(專利《管材環(huán)向拉伸性能測試方法》，公開(公告)號1865906)、十字拉伸(專利《一種通過單向拉伸實現(xiàn)雙向拉壓耦合應(yīng)力狀態(tài)的試件》，公開(公告)號10143(^63)和液壓脹形(專利 《液壓脹形三通增壓裝置》，公開(公告)號201783556U)。傳統(tǒng)管材單向拉伸試樣按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料室溫拉伸試驗方法》GB/T228-2002設(shè)計，試樣兩端是夾持部分，測試的變形區(qū)在中間部位，測試方法是使其在單向拉應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生變形直至斷裂從而獲得單向拉伸塑性響應(yīng)，該方法無法獲得反映管材在實際塑性成形過程的復(fù)雜拉/ 壓應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能特征；環(huán)向拉伸試樣是從管材上截取長度為1 50mm的圓環(huán)，然后將具有和圓環(huán)試樣內(nèi)徑相同直徑的第一半圓形棒和第二半圓形棒穿過圓環(huán)試樣的內(nèi)壁， 第一半圓形棒的兩端通過第二連接體與材料拉伸試驗機的上夾具相連，第二半圓形棒的兩端通過第二連接體與材料拉伸試驗機的下夾具相連，拉伸使環(huán)形試樣發(fā)生拉伸變形得到拉伸性能試驗數(shù)據(jù)，在試驗過程中，圓環(huán)形試樣與半圓形棒存在摩擦影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且針對不同規(guī)格管材需要測量設(shè)計加工不同的試驗?zāi)＞?，其測試成本較高；十字拉伸試樣的外輪廓呈八邊形，在試樣的一條較長的中心軸線的兩端對稱設(shè)置兩個圓孔，用于裝載拉伸試驗機的夾具，在試樣的中心區(qū)域?qū)ΨQ設(shè)置四個平滑過渡的孔，使得試樣的中心部位呈現(xiàn)十字交叉形狀，試樣中心區(qū)域十字交叉部位的上下兩個表面通過打磨變薄，其試驗方法也是通過普通的拉伸試驗機拉伸獲得應(yīng)力應(yīng)變，由于十字交叉部位較薄且易變形，受到平面應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可以獲得平面塑性響應(yīng)，十字交叉試樣需特殊形狀設(shè)計和加工，其制作成本極高，且試驗過程中十字部分的變形量難以確定，輸出結(jié)果不夠精準(zhǔn)；液壓脹形的試樣是一段具有一定長度的管坯，其增壓裝置包括上下成形模、端模、葉片泵和管路，其模具和設(shè)備較為特殊，存在模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測試成本高、試驗實施困難以及材料參數(shù)難以確定等缺陷，且只能獲得小口徑管材的厚向異性指數(shù)。因此，以上用于測試材料性能參數(shù)的試樣和測試方法存在試樣設(shè)計和加工復(fù)雜、 測試成本高和測試結(jié)果不準(zhǔn)確等限制，需要尋找一種可以用來測試管材在復(fù)雜拉/壓應(yīng)力下的性能參數(shù)的試樣以及測試方法，使管材性能參數(shù)的獲得更為方便有效，這是當(dāng)前管材塑形加工精確高效成形制造迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的試樣及測試方法不能準(zhǔn)確全面獲得管材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的性能參數(shù)，從而影響管材塑性成形工藝設(shè)計和成形過程有限元數(shù)值模擬分析精度的問題，本發(fā)明提出了一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣及測試方法。本發(fā)明在常用的單向拉伸弧形試樣上加工有橢圓形通孔，形成帶橢圓孔弧形拉伸試樣；所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣上的橢圓孔的長軸為2. 5 5mm，短軸為1. 5 3mm ；所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣上的橢圓孔長軸的中心線與帶橢圓孔弧形拉伸試樣長度方向的中心線重合；所述橢圓孔的圓心與帶橢圓孔弧形拉伸試樣的形心重合。本發(fā)明還提出了一種測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的方法，包括以下步驟步驟1，制備帶橢圓孔弧形拉伸試樣。在現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣上制孔。所述橢圓孔內(nèi)壁的粗糙度為0.8 0.2。步驟2，制備管材壓縮試樣。沿待測試管材軸向方向截取兩段長度為IOOmm的管段，得到兩個管材壓縮試樣。所述的管材壓縮試樣橫截面與管軸線的垂直度為0. 08 0. 1， 管材壓縮試樣橫截面的粗糙度為0. 8 0. 2。步驟3，測試試樣。測試過程包括帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試，其具體過程為。I帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試。將帶橢圓孔弧形拉伸試樣裝夾于拉伸試驗機的夾具上，將縱向引伸計裝夾在試樣上。通過拉伸試驗機上夾頭的位移拉伸試樣，拉伸試驗機的加載速度為3mm/min。拉伸距離為拉伸試驗機上夾頭的初始位置至帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉斷時的距離。拉伸過程中得到力-位移數(shù)據(jù)，直至將試樣拉斷為止。II管材壓縮試樣的軸向壓縮測試。通過拉伸試驗機對一個管材壓縮試樣做軸向壓縮試驗。通過拉伸試驗機上夾頭的位移壓縮試樣，試驗沿著管段試樣的軸線進(jìn)行，壓縮距離為70mm，加載速度為3mm/min。軸向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)。III管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試。通過拉伸試驗機對另一個管材壓縮試樣做側(cè)向壓縮試驗。壓縮方向與試樣的軸線垂直，壓縮距離為85mm，加載速度為3mm/min。側(cè)向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)。步驟4，材料參數(shù)的反求。通過有限元模擬對管材的材料參數(shù)進(jìn)行反求，使得帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型模擬所獲得的力-位移數(shù)據(jù)逼近試驗結(jié)果。 所述的反求過程如下I以帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試中得到的力-位移數(shù)據(jù)、以管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和側(cè)向壓縮測試中得到的三組力-位移數(shù)據(jù)建立力-位移矩陣[Y]。II計算力-位移的模擬矩陣[Y0]建立帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型；建立管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型；建立管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型。所述的三個有限元模型的初始參數(shù)分別為帶橢圓孔弧形拉伸試樣采用單向拉伸，管材壓縮試樣分別采用軸向壓縮和側(cè)向壓縮。在對上述試樣采用單向拉伸或軸向壓縮或側(cè)向壓縮時，初始的力和位移為0，加載速度為3mm/min。帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸量為將該帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉裂，管材壓縮試樣的軸向壓縮量為70mm，管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮量為85mm。所述三個試樣的初始材料參數(shù)分別為強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r， 并且該強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r通過現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣的單向拉伸試驗獲得。利用ABAQUS顯式有限元對帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型進(jìn)行模擬計算，得到三組力-位移的模擬矩陣[YJ。III對三組力-位移模擬矩陣[YJ分別進(jìn)行優(yōu)化計算確定目標(biāo)函數(shù)。通過公式φ =Σ (Y-Ytl)2Wi得到目標(biāo)函數(shù)Φ。其中，Wi*加權(quán)系數(shù)，其取值范圍為0.001 0.01。φ為函數(shù)目標(biāo)值。設(shè)定Φ15為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值。將目標(biāo)值Φ與目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值。15進(jìn)行比較如果Φ彡015成立，分別得到力-位移數(shù)據(jù)]，反求計算結(jié)束。如果φ彡Φ15 不成立，則采用優(yōu)化算法如遺傳算法對步驟4中的II的初始材料參數(shù)K、n、r進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。將優(yōu)化后的初始材料參數(shù)K、n、r作為步驟4中的II的初始材料參數(shù)，再次建立帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型，并對三組力-位移[YJ進(jìn)行優(yōu)化計算，直到 Φ ^ Φ15，反求計算結(jié)束，最終得到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。普通無孔弧形拉伸試樣拉伸測試得到的材料參數(shù)僅表現(xiàn)在試樣長度方向的單方向拉應(yīng)力應(yīng)變，無法得到符合管材塑形加工過程中的復(fù)雜拉/壓應(yīng)力，導(dǎo)致后續(xù)管材彎曲有限元模擬由于初始材料參數(shù)設(shè)置不合理而使得模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，無法客觀反映管材實際彎曲過程。本發(fā)明設(shè)計的帶橢圓孔弧形拉伸試樣是在普通無孔弧形拉伸試樣的行心上打橢圓孔，迫使試樣在拉伸過程中應(yīng)力集中產(chǎn)生平面應(yīng)力應(yīng)變；管材壓縮試樣是直接從管材上截取的管段，通過軸向或側(cè)向的壓縮而產(chǎn)生復(fù)雜的壓縮應(yīng)力應(yīng)變。本發(fā)明設(shè)計的帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試是通過單向拉伸加載，可以誘發(fā)出橢圓孔邊緣材料產(chǎn)生平面應(yīng)力應(yīng)變， 同時橢圓孔的長軸與試樣的軸線重合，比起圓孔具有更大的應(yīng)變范圍，所得到的材料參數(shù)更加符合管材塑形加工過程中管材彎曲外側(cè)所受到的平面應(yīng)力應(yīng)變屬性；本發(fā)明設(shè)計的管材壓縮試樣的測試是經(jīng)過軸向或側(cè)向的壓縮加載，管材壓縮試樣的軸向壓縮測試是通過將試樣進(jìn)行簡單的物理軸向壓縮，迫使管材試樣產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)，試樣壓縮失穩(wěn)后會產(chǎn)生褶皺， 這個由初始的壓縮零狀態(tài)逐步壓縮加載到失穩(wěn)的過程與管材塑性加工中管材彎曲內(nèi)側(cè)失穩(wěn)起皺相似；管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試是通過將試樣進(jìn)行簡單的物理側(cè)向壓扁，管材壓縮試樣側(cè)向壓縮測試塑性變形最大的部分集中在管材試樣的側(cè)向壓縮方向的中間部分， 在塑性變形過程中，這一部分中性層外側(cè)受拉應(yīng)力，中性層內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力，頂點處受雙向拉應(yīng)力。通過本發(fā)明設(shè)計的帶橢圓孔弧形拉伸試樣和管材壓縮試樣經(jīng)過普通拉伸試驗機的簡單拉/壓物理試驗加載誘發(fā)出不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，更加符合管材塑形加工過程中的復(fù)雜應(yīng)力，進(jìn)而通過參數(shù)反求，可以獲得了一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下管材性能參數(shù)。 整套測試復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣及測試方法將進(jìn)一步提高管材性能參數(shù)測試的精度和效率。


圖1是無孔弧形拉伸試樣主視圖；圖2是帶橢圓孔弧形拉伸試樣主視圖；圖3是帶橢圓孔弧形拉伸試樣俯視圖；圖4是帶橢圓孔弧形拉伸試樣上的橢圓孔放大圖；圖5是帶橢圓孔弧形拉伸試樣三維視圖；圖6是管材壓縮試樣三維圖；圖7是帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試原理圖，其中，F(xiàn)是模具夾持試樣的夾持力，N 是模具拉伸試樣的拉力；如圖所示，試驗機上下夾頭裝有模具，F(xiàn)是模具施加給帶橢圓孔弧形拉伸試樣夾持端的夾緊力，保證試樣在拉伸過程中試樣夾持端與模具不產(chǎn)生打滑現(xiàn)象； N是模具拉伸試樣的拉力，模具將試樣夾緊后沿試樣軸線方向運動，達(dá)到將試樣拉伸的效果；圖8是軸向壓縮測試原理圖，其中，F(xiàn)是試驗機壓縮平臺對壓縮試樣施加的壓力； 如圖8所示，壓縮測試是在試驗機的壓縮試驗區(qū)進(jìn)行，依靠試驗機本身的壓縮平臺將試樣壓縮成功，所敘述的F是試驗機的壓縮平臺對壓縮試樣施加的壓力；圖9是側(cè)向壓縮測試原理圖，其中，F(xiàn)是試驗機壓板對壓縮試樣施加的壓力；圖10是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)測試方法的流程圖；圖11是帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試縱向應(yīng)力云圖及圖例；圖12是帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試橫向應(yīng)力云圖及圖例；圖13是1. 5s時周向力的應(yīng)力云圖及圖例；圖14是1. 時軸向力的應(yīng)力云圖及圖例；圖15是1. 5s時塑性應(yīng)變云圖及圖例；圖16是軸向壓縮塑性應(yīng)變模擬結(jié)果云圖及圖例；圖17是側(cè)向壓縮在20s時周向力的應(yīng)力云圖及圖例；圖18是側(cè)向壓縮在20s時橫向力的應(yīng)力云圖及圖例；圖19是側(cè)向壓縮在20s時塑性應(yīng)變云圖及圖例；圖20側(cè)向壓縮塑性應(yīng)變模擬結(jié)果云圖及圖例。其中1.形心2.橢圓孔3.橢圓孔內(nèi)壁4.焦點5.長軸6.短軸7.管材壓縮試樣橫截面
具體實施例方式本發(fā)明是一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣，通過帶橢圓孔弧形拉伸試樣和管材壓縮試樣實現(xiàn)測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣是將現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣進(jìn)行改進(jìn)后得到的；所述的管材壓縮試樣是沿待測試管材軸線方向截取的管段。本發(fā)明的所測試管材的管徑D為30 200mm ；所用的單向拉伸弧形試樣上加工有一個橢圓形通孔，并且所述橢圓形通孔的長軸為2. 5 5mm， 短軸為1. 5 3mm ；管材壓縮試樣是沿待測試管材軸線方向截取長度為IOOmm的管段。本發(fā)明以被測試管材的管徑D為100mm、長軸為3mm、短軸為2mm，壓縮試樣長度為IOOmm為例，說明本發(fā)明的具體實施過程。本實施例是一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣。所測試的管材為 6061-0鋁合金管，規(guī)格為Φ 100 X 1.5mm。本實施例通過帶橢圓孔弧形拉伸試樣和管材壓縮試樣實現(xiàn)測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣是將現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸試樣進(jìn)行改進(jìn)后得到的；所述的管材壓縮試樣是沿待測試管材軸線方向截取的管段。本實施例所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣是在單向拉伸試樣形心上加工一個橢圓形通孔，該橢圓形通孔的長軸為3mm，短軸為2mm ；管材壓縮試樣是沿待測試管材軸線方向截取長度為IOOmm的管段。 所述的帶橢圓孔弧形拉伸試樣上的橢圓孔長軸的中心線與帶橢圓孔弧形拉伸試樣長度方向的中心線重合；所述橢圓孔的圓心與帶橢圓孔弧形拉伸試樣的形心重合本實施例的測試過程包括以下步驟步驟1，制備帶橢圓孔弧形拉伸試樣。在現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣上制孔。用垂線法標(biāo)記出單向拉伸弧形試樣的形心1。以所述的形心1為圓心在試樣上畫出一個長軸5為3mm、短軸6為2mm的橢圓。 橢圓的長軸5與試樣的軸線平行。以形心1為圓心鉆一個小于橢圓短軸6的圓孔，用于穿線切割的鎢絲；通過線切割加工出橢圓孔2。用砂紙將橢圓孔內(nèi)壁3打磨光滑，要求粗糙度達(dá)到0. 8 0. 2。步驟2，制備管材壓縮試樣。采用線切割的方法，沿待測試管材軸向方向截取兩段長度為IOOmm的管段，得到兩個管材壓縮試樣。所述的管材壓縮試樣橫截面7與管軸線的垂直度為0. 08 0. 1，管材壓縮試樣橫截面7的粗糙度為0. 8 0. 2，管材壓縮試樣內(nèi)外表面不能有劃痕、砂眼等缺陷。步驟3，測試試樣。測試過程包括拉伸測試、軸向壓縮測試和側(cè)向壓縮測試，其具體過程為I帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試。帶橢圓孔弧形的拉伸測試是在拉伸試驗機上進(jìn)行。將帶橢圓孔弧形拉伸試樣裝夾于拉伸試驗機的夾具上，將縱向引伸計裝夾在試樣上。通過拉伸試驗機上夾頭的位移拉伸試樣。拉伸位移為拉伸試驗機上夾頭的初始位置至帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉斷時的距離拉伸過程中得到力-位移數(shù)據(jù)，直至將試樣拉斷為止。測試中，拉伸試驗機的加載速度為3mm/min。通過試驗機內(nèi)部的力傳感器動態(tài)顯示拉伸力，通過縱向引伸計顯示試樣標(biāo)距段的位移，通過試驗機自動信號采集系統(tǒng)采集30對/秒的力-位移數(shù)據(jù)。II管材壓縮試樣的軸向壓縮測試。通過拉伸試驗機對一個管材壓縮試樣做軸向壓縮試驗。通過拉伸試驗機上夾頭的位移壓縮試樣，試驗沿著管段試樣的軸線進(jìn)行，管材壓縮試樣的壓縮距離為70mm，加載速度為3mm/min ；軸向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)。通過試驗機內(nèi)部力傳感器動態(tài)顯示壓縮力，通過位移傳感器顯示試樣標(biāo)距段的位移，通過試驗機自動信號采集系統(tǒng)采集30對/秒的力-位移數(shù)據(jù)，直至試樣被壓縮70mm。III管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試。通過拉伸試驗機對另一個管材壓縮試樣做側(cè)向壓縮試驗。壓縮方向與試樣的軸線垂直，管材壓縮試樣的壓縮距離為85mm ；加載速度為 3mm/min ；側(cè)向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)。通過試驗機內(nèi)部力傳感器動態(tài)顯示壓縮力， 通過位移傳感器顯示試樣標(biāo)距段的位移，通過試驗機自動信號采集系統(tǒng)采集30對/秒的力-位移數(shù)據(jù)，直至試樣被壓縮85mm。步驟4，材料參數(shù)的反求。材料參數(shù)反求的實質(zhì)是通過優(yōu)化算法對管材的材料參數(shù)進(jìn)行反求，使得帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型的模擬結(jié)果所獲得的力-位移數(shù)據(jù)逼近試驗結(jié)果。所述的反求過程如下I以帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試中得到的三組力-位移數(shù)據(jù)分別建立力-位移矩陣[Y]；II計算力-位移的模擬矩陣冗]利用ABAQUS軟件建立帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試有限元模型。將帶橢圓孔弧形拉伸試樣進(jìn)行單向拉伸，將管材壓縮試樣分別進(jìn)行軸向壓縮和側(cè)向壓縮。所述的三個有限元模型的初始參數(shù)分別為將帶橢圓孔弧形拉伸試樣進(jìn)行單向拉伸，將管材壓縮試樣分別進(jìn)行軸向壓縮和側(cè)向壓縮。在對上述試樣采用單向拉伸或軸向壓縮或側(cè)向壓縮時，初始的力和位移為0，加載速度為3mm/min ；帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸量為將該帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉裂，管材壓縮試樣的軸向壓縮量為70mm，管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮量為85mm。所述三個試樣的初始材料參數(shù)分別為強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r， 并且該強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r通過現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣的單向拉伸試驗獲得。利用ABAQUS顯式有限元對帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型進(jìn)行模擬計算，得到三組力-位移的模擬矩陣[YJ。III對三組力-位移模擬矩陣[YJ分別進(jìn)行優(yōu)化計算確定目標(biāo)函數(shù)。通過公式φ = Σ (Y-Y0)2Wi得到目標(biāo)函數(shù)φ ；其中，Wi為加權(quán)系數(shù)，其取值范圍為0. 001 0.01，φ為函數(shù)目標(biāo)值。設(shè)定Φ15為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值。將目標(biāo)值Φ與目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值。15進(jìn)行比較如果Φ彡015成立，分別得到力-位移數(shù)據(jù)]，反求計算結(jié)束。如果φ彡Φ15 不成立，則采用優(yōu)化算法如遺傳算法對步驟4中的II的初始材料參數(shù)K、n、r進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化； 將優(yōu)化后的初始材料參數(shù)K、n、r作為步驟4中的II的初始材料參數(shù)，利用ABAQUS軟件再次建立橢圓孔拉伸、軸向壓縮和側(cè)向壓縮三個有限元模型，并對三組力-位移為[YJ進(jìn)行優(yōu)化計算，直到Φ ( Φ15，反求計算結(jié)束。本實施例中，通過對三組力-位移模擬矩陣[YJ進(jìn)行四次優(yōu)化計算，最終得到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。表1 雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下的管材性能參數(shù)(對應(yīng)帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉伸測試結(jié)果)
權(quán)利要求
1.一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣，其特征在于，在常用的單向拉伸弧形試樣上加工有橢圓形通孔，形成帶橢圓孔弧形試樣；所述的帶橢圓孔弧形試樣上的橢圓孔的長軸為2. 5 5mm，短軸為1. 5 3mm ；所述的帶橢圓孔弧形試樣上的橢圓孔長軸的中心線與帶橢圓孔弧形試樣長度方向的中心線重合；所述橢圓孔的圓心與帶橢圓孔弧形試樣的形心重合。
2.一種通過權(quán)利要求1所述試樣測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，制備帶橢圓孔弧形試樣；所述橢圓孔內(nèi)壁的粗糙度為0. 8 0. 2 ； 步驟2，制備管材壓縮試樣；沿待測試管材軸向方向截取兩段長度為IOOmm的管段，得到兩個管材壓縮試樣；所述的管材壓縮試樣橫截面與管軸線的垂直度為0. 08 0. 1，管材壓縮試樣橫截面的粗糙度為0. 8 0. 2 ；步驟3，測試試樣；測試過程包括帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試，其具體過程為I帶橢圓孔弧形拉伸試樣測試；將帶橢圓孔弧形拉伸試樣裝夾于拉伸試驗機的夾具上，將縱向引伸計裝夾在試樣上；通過拉伸試驗機上夾頭的位移拉伸試樣，拉伸試驗機的加載速度為3mm/min ；拉伸距離為拉伸試驗機上夾頭的初始位置至帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉斷時的距離；拉伸過程中得到力-位移數(shù)據(jù)，直至將試樣拉斷為止；II管材壓縮試樣的軸向壓縮測試；通過拉伸試驗機對一個管材壓縮試樣做軸向壓縮試驗；通過拉伸試驗機上夾頭的位移壓縮試樣，試驗沿著管段試樣的軸線進(jìn)行，壓縮距離為 70mm，加載速度為3mm/min ；軸向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)；III管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試；通過拉伸試驗機對另一個管材壓縮試樣做側(cè)向壓縮試驗；壓縮方向與試樣的軸線垂直，壓縮距離為85mm，加載速度為3mm/min ；側(cè)向壓縮過程中得到力-位移數(shù)據(jù)；步驟4，材料參數(shù)的反求；通過有限元模擬對管材的材料參數(shù)進(jìn)行反求，使得拉伸、軸向壓縮和側(cè)向壓縮三個有限元模擬所獲得的力-位移數(shù)據(jù)逼近試驗結(jié)果；所述的反求過程如下I以帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試中得到的力-位移數(shù)據(jù)、以管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和側(cè)向壓縮測試中得到的三組力-位移數(shù)據(jù)建立力-位移矩陣[Y]；II計算力-位移的模擬矩陣[YJ 建立帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型；建立管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型；建立管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型；所述的三個有限元模型的初始參數(shù)分別為帶橢圓孔弧形拉伸試樣采用單向拉伸，管材壓縮試樣分別采用軸向壓縮和側(cè)向壓縮；在對上述試樣采用單向拉伸或軸向壓縮或側(cè)向壓縮時，初始的力和位移為0，加載速度為3mm/min ；帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸量為將該帶橢圓孔弧形拉伸試樣拉裂，管材壓縮試樣的軸向壓縮量為70mm，管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮量為85mm ；所述三個試樣的初始材料參數(shù)分別為強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r，并且該強度系數(shù)K、硬化指數(shù)η和厚向異性指數(shù)r通過現(xiàn)有技術(shù)中常用的單向拉伸弧形試樣的單向拉伸試驗獲得；利用ABAQUS顯式有限元對帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試的有限元模型、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試的有限元模型和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試的有限元模型進(jìn)行模擬計算，得到三組力-位移的模擬矩陣[Y。]；III對三組力-位移模擬矩陣[YJ分別進(jìn)行優(yōu)化計算確定目標(biāo)函數(shù)；通過公式Φ =Σ (Y-Ytl)2Wi得到目標(biāo)函數(shù)Φ ；其中，Wi*加權(quán)系數(shù)，其取值范圍為0. 001 0.01 ；Φ為函數(shù)目標(biāo)值；設(shè)定Φ15為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值；將目標(biāo)值Φ與目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值Φ15進(jìn)行比較如果①<。15成立，分別得到力-位移數(shù)據(jù)[Y/ ]，反求計算結(jié)束；如果Φ < Φ15不成立，則采用優(yōu)化算法如遺傳算法對步驟4中的II的初始材料參數(shù)K、n、r進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；將優(yōu)化后的初始材料參數(shù)K、n、r作為步驟4中的II的初始材料參數(shù)，再次建立橢圓孔拉伸、軸向壓縮和側(cè)向壓縮三個有限元模型，并對三組力-位移[YJ進(jìn)行優(yōu)化計算，直到Φ ( Ok, 反求計算結(jié)束，最終得到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣，其特征在于，在單向拉伸弧形試樣上制孔時，用垂線法標(biāo)記出單向拉伸弧形試樣的形心；以所述的形心為圓心在試樣上橢圓。
全文摘要
一種用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣及測試方法。將常用的單向拉伸弧形試樣加工成帶橢圓孔弧形試樣。橢圓孔長軸的中心線與單向拉伸弧形試樣長度方向的中心線重合；橢圓孔的圓心與帶橢圓孔弧形拉伸試樣的形心重合。沿待測試管材軸向方向截取兩段管材壓縮試樣。所述的管材壓縮試樣橫截面與管軸線的垂直度為0.08～0.1，管材壓縮試樣橫截面的粗糙度為0.8～0.2。通過對帶橢圓孔弧形拉伸試樣的拉伸測試、管材壓縮試樣的軸向壓縮測試和管材壓縮試樣的側(cè)向壓縮測試，并對得到的力-位移數(shù)據(jù)進(jìn)行反求，獲得用于測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)。整套測試復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下管材性能參數(shù)的試樣及測試方法提高了管材性能參數(shù)測試的精度和效率。
文檔編號G01N3/08GK102410957SQ20111020927
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者李恒, 楊合, 王澤康, 田玉麗, 詹梅, 逯若東 申請人:西北工業(yè)大學(xué)