專利名稱：一種識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到機械工程制造中材料檢測領域，特指一種焊點區(qū)域材料力學性能參數(shù)的檢測方法。
背景技術：
在對金屬板材進行焊接過程中，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)域分成三個子區(qū)域母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊點區(qū)。由于一般母材的尺寸與熱影響區(qū)相比足夠大，故在以往對此方面的研究中均忽略了熱影響區(qū)的材料特性，即在對焊接區(qū)域進行有限元數(shù)值建模時常采用共節(jié)點連接方式或者剛性連接方式與母材直接相連，很顯然這種情況下不能考慮焊點處的材料特性，這種建模方法不足以模擬焊點材料的真實力學響應；另一方面，考慮焊點處的力學響應，即采用體單元對焊點進行建模，但焊點材料的材料參數(shù)是非常難確定的，常常是根據經驗進行設定，并且是假定焊點各區(qū)域的材料特性是均勻的。然而，通過顯微硬度試驗得知焊點的力學性能參數(shù)并非均勻分布，因而并不能簡單的將焊點各區(qū)域的力學性能材料設計為一固定值。綜上所述，目前對焊點的處理方法并不能滿足實際工程的需求。焊點連接是車身零部件的最主要連接方式，對焊點連接進行精確模擬直接影響到整個有限元模型的精度和可信度，事關整個仿真分析的成敗，焊點模型的精度與焊點材料的材料參數(shù)的準確獲取息息相關。由于焊點焊接過程相當于一個熱處理過程，直接導致焊點區(qū)域處的微觀組織結構導常復雜并且不同區(qū)域處具有不同的微觀組織，對于鋼鐵金屬而言，焊點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致了焊點處不同的材料特性，進一步研究發(fā)現(xiàn)此處的力學參數(shù)會呈現(xiàn)非均勻性分布，即焊點、熱影響區(qū)處會有著梯度變化的參數(shù)特征，所以僅通過簡單的拉伸或者壓縮試驗很難確定焊點不同區(qū)域處的具體力學參數(shù)，并且該處的應力應變關系很難通過常規(guī)方法得到，故不能根據曲線擬合的思路對其進行參數(shù)反求。另外，在動態(tài)條件下焊點的力學性能參數(shù)會隨著應變率的變化而變化，因而從靜態(tài)硬度得到的力學參數(shù)無法反映出在碰撞這種在高應變率下的焊點材料的動態(tài)行為，基于此問題，如何準確獲取焊點不同區(qū)域的材料動態(tài)力學特性參數(shù)就顯得尤為重要。硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力，顯微硬度壓痕試驗為我們提供了測定和評價微米級甚至納米級的表征尺寸的材料強度特性。以往的研究工作中，不管是針對傳統(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)均勻分布的基礎上的， 而且大都集中于材料靜態(tài)參數(shù)的識別上，很少通過動態(tài)壓痕試驗來測定材料的動態(tài)參數(shù)， 動態(tài)硬度壓痕試驗為我們提供了測定和評價更小的表征尺寸甚至是納米級的材料強度特性，是一種評價材料尤其是金屬或材料某點周圍表面的力學性能的方法，利用應力脈沖作用在與試樣接觸的剛性壓頭上，使試樣表面形成動態(tài)壓痕，進而測得材料的動態(tài)壓痕硬度和動態(tài)材料特征曲線，動態(tài)硬度試驗時的應變率可以達到103_104/s，切實反映了材料抵抗壓頭動態(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)出材料在復雜三向應力狀態(tài)下高應變率效應的重要參數(shù)特性。另一方面，通過動態(tài)霍普金森壓桿試驗基本方程即反射信號￡i(t)、透射信號、(t)、彈性模量E、波速Ctl、試件的初始橫截面積Atl和初始厚度Ltl就可以推導出試件的平均應力^⑴和平均應變6⑴之間的關系，這樣就可以擬合出均勻材料的力學參數(shù)。然而對于識別檢測像焊點這種各區(qū)域的材料特性具有不均勻性特點的材料動態(tài)性能參數(shù)時，待測各個區(qū)域的初始橫截面積A0難以確定，因此，不能通過動態(tài)壓痕試驗直接根據上訴的基本方程得到應力應變關系，進而不能直接擬合出該區(qū)域的動態(tài)力學性能參數(shù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，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焊點不同區(qū)域的材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于，步驟為(1)制備用于硬度試驗用的焊點試樣，并對進行硬度試驗側的焊點表面進行打磨、 拋光；(2)在焊點試樣直徑方向上的整個焊點區(qū)域內選取若干個點進行硬度試驗，根據測得的硬度值進行分區(qū)；(3)對焊點不同區(qū)域進行動態(tài)壓痕試驗，得到不同區(qū)域內各個試驗點處的載荷深度曲線；(4)建立壓痕試驗有限元數(shù)值模型為了減少計算規(guī)模，整個壓痕試驗有限元數(shù)值模型以及載荷都是關于中心線軸對稱的，另外，為了不使模型過于龐大，這里采用對實際尺寸適當?shù)倪M行放縮，長度由原來的3040mm減小為1000mm，直徑增加到25mm，試件的長度和直徑也分別變化為22mm和18mm，這樣的優(yōu)勢在于優(yōu)化網格的質量，減小模型規(guī)模 ’另一方面，由于撞擊桿僅用于產生應力脈沖的作用，所以在壓痕試驗有限元數(shù)值模型中沒必要考慮撞擊桿，取代的方法是直接在入射桿的輸入端施加均布的應力脈沖。(5)在步驟(3)、(4)的基礎上，根據動態(tài)壓痕試驗有限元數(shù)值模型與對應的試驗結果得出不同區(qū)域處的目標響應函數(shù)，根據壓痕試驗有限元數(shù)值模型的模擬結果與對應的實驗結果以得到焊點不同區(qū)域處的優(yōu)化數(shù)學模型；(6)結合優(yōu)化遺傳算法，設定該算法初值，初值參數(shù)對遺傳算法的求解結果和求解效率都有一定的影響，需要提前設定的參數(shù)有種群大小M,即種群中所含個體的數(shù)量，一般取20 100 ；遺傳運算的終止迭代次數(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。根據步驟(5)所選的目標響應函數(shù)不斷迭代逼近每個選取點的試驗曲線，迭代的過程中若達到某種收斂準則，則迭代終止，該迭代步下的力學參數(shù)即是在某合適區(qū)間下的最優(yōu)解。作為本發(fā)明的進一步改進所述步驟(3)中，在所分區(qū)域進行至少三個壓痕試驗。
所述優(yōu)化數(shù)學模型為下式所示
權利要求
1.一種識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于，步驟為(1)制備用于硬度試驗用的焊點試樣，并對進行硬度試驗側的焊點表面進行打磨、拋光；(2)在焊點試驗直徑方向上的整個焊點區(qū)域內選取若干個點進行靜態(tài)硬度試驗，根據所得硬度值進行分區(qū)；(3)在所分區(qū)域內進行動態(tài)壓痕試驗，得到不同區(qū)域內各個試驗點處的載荷深度曲線.一入 ，(4)建立壓痕試驗有限元數(shù)值模型；(5)根據壓痕試驗有限元數(shù)值模型的模擬結果與對應的實驗結果構造焊點不同區(qū)域處的優(yōu)化數(shù)學模型，優(yōu)化數(shù)學模型中包含目標函數(shù)與約束函數(shù)、待檢測的參數(shù)和每個參數(shù)的取值范圍；(6)采用全局優(yōu)化算法對步驟(5)的優(yōu)化數(shù)學模型進行求解，優(yōu)化過程中不斷的自動調整待求參數(shù)的取值使仿真模型的載荷深度曲線不斷迭代逼近對應實驗點的實驗曲線，迭代的過程中若達到指定的優(yōu)化收斂準則，則優(yōu)化迭代終止，該迭代步下的力學參數(shù)即是在某合適區(qū)間下的最優(yōu)解，重復該過程即可求出焊點不同區(qū)域的動態(tài)力學性能參數(shù)。
2.根據權利要求1所述的識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中，在所分區(qū)域進行至少三個壓痕試驗。
3.根據權利要求1所述的識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法，其特征在于所述優(yōu)化數(shù)學模型為下式所示Mmimze Afix1,x2, ...,Xj = JfIt^Frix1,x2,-,xjX11 < X1 < X1^Subject to :<{式中，X1, X2,…，Xn為待求參數(shù)， (z+ = l,2,……分別是待求參數(shù)的上限和下限， Tf^x1,而，…,x )為通過動態(tài)壓痕試驗得到的連續(xù)壓痕載荷，/ΠΑ，、···，、)為有限元仿真時求得的動態(tài)壓痕載荷，m為時間增量步總數(shù)。
全文摘要
一種識別焊點不同區(qū)域材料動態(tài)力學性能參數(shù)的檢測方法，其步驟為(1)制備用于硬度試驗用的焊點試樣；(2)在焊點試驗直徑方向上的整個焊點區(qū)域內選取若干個點進行硬度試驗，根據硬度值進行分區(qū)；(3)在所分區(qū)域內進行動態(tài)壓痕試驗，得到不同試驗點處的載荷深度曲線；(4)建立壓痕實驗的有限元模型并進行驗證；(5)根據壓痕試驗有限元數(shù)值模型的模擬結果與對應的實驗結果構造焊點不同區(qū)域處的優(yōu)化數(shù)學模型；(6)采用全局優(yōu)化算法對步驟(5)中的優(yōu)化數(shù)學模型進行求解，求出焊點不同區(qū)域的動態(tài)力學性能參數(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材料的局部力學性能動態(tài)參數(shù)，拓展了壓痕實驗的應用范圍。
文檔編號G01N3/40GK102435514SQ20111025193
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日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