自動(dòng)球壓痕技術(shù)測(cè)定鋼材力學(xué)性能的數(shù)值模擬

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文題目：自動(dòng)球壓痕技術(shù)測(cè)定鋼材力學(xué)性能的數(shù)值模擬學(xué)生姓名：韋洋學(xué) 號(hào)：11032420專業(yè)班級(jí)：過(guò)程裝備與控制工程11-4班指導(dǎo)教師：徐 書 根2015年06月20日中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)論文自動(dòng)球壓痕技術(shù)測(cè)定材料力學(xué)性能的數(shù)值模擬摘 要隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視工業(yè)生產(chǎn)中的安全問(wèn)題，因此對(duì)在服役設(shè)備的檢驗(yàn)以及壽命評(píng)估尤為重要。球形壓痕技術(shù)能很好地解決常規(guī)性試驗(yàn)的破壞性取樣問(wèn)題。本文基于ABAQUS有限元軟件，對(duì)自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)測(cè)定材料力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究加載過(guò)程中試樣的應(yīng)力及變形規(guī)律。結(jié)果表明在加載過(guò)程中，壓頭附近有明顯的應(yīng)力集中，在卸載過(guò)

2、程中，彈性變形進(jìn)行了恢復(fù)，并且在試驗(yàn)結(jié)束后，被測(cè)材料表面有較多的材料堆積。其次還研究了本構(gòu)模型與材料力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性，由載荷-位移曲線關(guān)聯(lián)得到了被測(cè)材料的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度。在本文最后，把數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)比對(duì)研究，結(jié)果顯示自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的數(shù)值模擬能夠有效的測(cè)定材料力學(xué)性能。關(guān)鍵詞：壓痕試驗(yàn)；數(shù)值模擬；材料力學(xué)性能The Numerical Simulation of Automatic Ball Indentation Technique to Measure Mechanical Properties of MeterialsAbstractWith th

3、e development of science,technology and socio-economic,people pay more and more attention to the safety problems in industrial production,so the testing and life assessment of service equipment is particularly importment.The conwentional testing methods of mechanical properties are destructive sampl

4、ing tests,automated ball indentation test can solve this problem1. Based on the ABAQUS finite element software,The numerical simulation of automatic ball indentation test is used to measure mechanical properties of meterials and study on the stress and deformation of specimen in the load process.Res

5、ult show that there is stress concentrated near the head during the loading process and elastic deformation is recovered during the unloading process.After the test ,there is a lot of material accumulation on the surface.The relevance between the constitutive model and mechanical properties is also

6、researched.The stress-strain curve ,yield strength and tensile strength is obtained bye the load-displacement curve. Finally,the results were compared with those from tensile test,it shows good agreement between ball indentation test and tensile test. Keywords：Automated Ball Indentation Test;Numeric

7、al Simulation;Mechnical properties目 錄第1章 引言11.1 選題背景11.2 研究現(xiàn)狀及進(jìn)展21.2.1 材料性能常規(guī)性試驗(yàn)方法21.2.2 自動(dòng)球壓痕技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀21.3 研究?jī)?nèi)容3第2章 自動(dòng)球壓痕技術(shù)原理52.1 真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變的關(guān)聯(lián)52.2 屈服強(qiáng)度與工程極限拉伸強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)72.2.1 測(cè)定屈服強(qiáng)度y72.2.2 測(cè)定工程極限拉伸強(qiáng)度b92.3 本章小結(jié)9第3章 自動(dòng)球壓痕測(cè)試的數(shù)值模擬103.1 幾何模型103.2 材料屬性113.3 邊界條件和初始條件163.4 網(wǎng)格劃分163.5 本章小結(jié)18第4章 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬與常規(guī)性試驗(yàn)比

8、對(duì)研究194.1 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析194.1.1 載荷-位移曲線194.1.2 真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線234.1.3 屈服強(qiáng)度y264.1.4 極限拉伸強(qiáng)度b284.2 數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)研究294.2.1 常規(guī)性試驗(yàn)過(guò)程304.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)研究314.3 本章小結(jié)33第5章 結(jié)論34致 謝35參考文獻(xiàn)36第1章 引言第1章 引言1.1 選題背景鋼材的力學(xué)性能、制造工藝性能等是選材的主要依據(jù)。在設(shè)備服役過(guò)程中，所有的零部件都會(huì)承受著溫度、循環(huán)載荷和介質(zhì)的作用，使得鋼材的材料性能不斷惡化，致使安全事故的發(fā)生2。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，

9、人們?cè)絹?lái)越重視工業(yè)生產(chǎn)中的安全問(wèn)題，因此對(duì)在服役中的設(shè)備的檢驗(yàn)以及壽命評(píng)估尤為重要。材料的力學(xué)性能檢測(cè)是多種性能測(cè)試的代表，包括金屬?gòu)?qiáng)度、硬度、塑性和韌性等等。早在歐洲工業(yè)革命時(shí)期，人們就開始了對(duì)材料的力學(xué)性能的鉆研，兩次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了材料測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展3。對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試評(píng)估是材料性能得以保證的前提，因此，材料的測(cè)試和材料的質(zhì)量息息相關(guān)。另一方面，材料的測(cè)試評(píng)估在計(jì)算機(jī)開展模擬工作、有限元分析和創(chuàng)建大規(guī)模的材料數(shù)據(jù)庫(kù)等方面都有很大的影響。因此，新材料是隨著材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，材料的測(cè)試評(píng)估在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，以及在整個(gè)材料領(lǐng)域中有著至關(guān)重要的地位3。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備一旦進(jìn)入服役過(guò)

10、程，就僅能進(jìn)行定期的檢修和維護(hù)，對(duì)于材料力學(xué)性能等的檢測(cè)，常規(guī)性的試驗(yàn)方法有拉伸斷裂試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)方法的取樣大都是破壞性的，并不適用于在服役的設(shè)備，只能使用材料性能的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)設(shè)備進(jìn)行不準(zhǔn)確的壽命評(píng)估。常規(guī)性試驗(yàn)的局限性使得工業(yè)生產(chǎn)中的一些設(shè)備“帶病服役”，安全隱患大大增加4。自動(dòng)球壓痕技術(shù)能很好的解決常規(guī)性試驗(yàn)過(guò)程中的破壞性取樣問(wèn)題。自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)只需要在被測(cè)設(shè)備的表面進(jìn)行試驗(yàn)，不需要進(jìn)行專門的取樣，并且試驗(yàn)完成后只會(huì)留下幾百微米的壓痕，不影響設(shè)備的后期運(yùn)行。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，并且壓頭能夠進(jìn)行持續(xù)的壓入，即對(duì)材料反復(fù)加載卸載，施加循環(huán)載荷，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記載壓入載荷和壓痕深度，得到比常規(guī)

11、性試驗(yàn)更全面的數(shù)據(jù)，自動(dòng)球壓痕技術(shù)的此優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于檢測(cè)鋼材的力學(xué)性能5。雖然利用自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行無(wú)破壞性的力學(xué)檢測(cè)，但是壓頭周圍的受力情況非常復(fù)雜，分析起來(lái)相當(dāng)困難。對(duì)此人們往往借助于有限元建模，對(duì)自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，再結(jié)合一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行分析。得到相應(yīng)的載荷-位移曲線，由關(guān)聯(lián)式推出材料的力學(xué)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如材料的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度等。1.2 研究現(xiàn)狀及進(jìn)展1.2.1 材料性能常規(guī)性試驗(yàn)方法測(cè)試材料的性能就是提取反應(yīng)材料內(nèi)在特性的過(guò)程。伴隨科學(xué)技術(shù)和材料領(lǐng)域的進(jìn)程，材料力學(xué)性能的測(cè)試也隨之不斷發(fā)展1。經(jīng)過(guò)材料力學(xué)性能測(cè)試工作者多年來(lái)的研

12、究，以及和試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)部門的積極合作，該領(lǐng)域的相關(guān)科學(xué)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。當(dāng)今大部分的材料力學(xué)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)都是通過(guò)常規(guī)性試驗(yàn)方法得到的，如拉伸斷裂試驗(yàn)和沖擊性試驗(yàn)等。但是由于常規(guī)性試驗(yàn)過(guò)程的取樣是破壞性的，不能測(cè)定在役設(shè)備?；谠撉闆r，工作者越來(lái)越重視非破壞性試驗(yàn)的研究。1.2.2 自動(dòng)球壓痕技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀壓痕技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是為了測(cè)定材料的薄膜等某些微小成分，這些成分利用常規(guī)測(cè)試方法通常難以測(cè)到。壓痕技術(shù)萌芽于1881年的德國(guó)，Hertz首次提出了使用壓痕試驗(yàn)測(cè)定材料的硬度，利用壓頭壓入被測(cè)材料表面，最后通過(guò)試件的變形量來(lái)表征被測(cè)材料的各種性能。近百年來(lái)人們對(duì)于壓痕技術(shù)不斷地研究和完善，

13、已經(jīng)可以利用壓痕技術(shù)測(cè)定材料的其他性能。Doerner和Nix最早利用壓痕儀器獲得載荷和壓痕深度的曲線，并且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理獲得材料性能的表征量。1992年P(guān)harr和Oliver在前人研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上對(duì)壓痕技術(shù)進(jìn)一步完善，為納米壓痕技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，并且這種技術(shù)迅速發(fā)展。但是納米壓痕技術(shù)在溫度或者振動(dòng)上面都會(huì)有局限性，并且不適用于對(duì)在役設(shè)備進(jìn)行測(cè)試6。與圓錐和凌錐形的壓頭相比，應(yīng)用球形壓頭的壓痕試驗(yàn)壓頭周圍的受力情況更好，更容易關(guān)聯(lián)得到材料的力學(xué)性能表征量。自1970年以來(lái)，H.A.Francis、P.Au等人對(duì)球形壓頭的壓痕試驗(yàn)開展了研究。F.M.Haggag對(duì)前人的研究進(jìn)行了總結(jié)，提出了在

14、一次試驗(yàn)中進(jìn)行連續(xù)壓入，獲得不同載荷下的數(shù)據(jù)。該技術(shù)獲得授權(quán)后，F(xiàn).M.Haggag進(jìn)一步委托自己的公司生產(chǎn)并且推廣了球形壓痕試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程中，球形壓頭壓入被測(cè)材料的表面，在同一個(gè)位置上連續(xù)壓入，載荷是加載、部分卸載、再加載的反復(fù)循環(huán)。與此同時(shí)位移和載荷傳感器實(shí)時(shí)的記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的位移和載荷，得到相關(guān)曲線，再通過(guò)關(guān)聯(lián)式得到材料力學(xué)性能的表征量。早先的球形壓痕試驗(yàn)技術(shù)是以持續(xù)觀察和塑性變形理論為基礎(chǔ)創(chuàng)建的，使用的時(shí)候有限制并且得到的結(jié)果精確度不高。隨著塑性變形理論的進(jìn)程以及和有限元技術(shù)的聯(lián)系，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)方法也不斷地發(fā)展5。通過(guò)有限元模擬和自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的結(jié)合，一方面可以有效地評(píng)估材料的力學(xué)

15、性能，另一方面可以節(jié)省大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。通過(guò)有限元建模的方法模擬壓痕試驗(yàn)過(guò)程，建立相關(guān)模型，進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察模擬結(jié)果，提取模擬過(guò)程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，合成載荷-壓痕深度曲線，進(jìn)一步根據(jù)關(guān)聯(lián)式得到模擬材料的力學(xué)性能表征量，如真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、工程極限斷裂強(qiáng)度等等。1.3 研究?jī)?nèi)容隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視工業(yè)生產(chǎn)中的安全問(wèn)題，因此對(duì)在服役中的設(shè)備的檢驗(yàn)以及壽命評(píng)估尤為重要。常規(guī)性試驗(yàn)方法的取樣大多是破壞性的，為了克服該困難，利用自動(dòng)球壓痕技術(shù)測(cè)量材料的力學(xué)性能。試驗(yàn)過(guò)程中壓頭周圍的受力情況很復(fù)雜，難以分析，因此采用有限元建模的方法，模擬自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)過(guò)程，記

16、錄載荷和壓痕深度的數(shù)據(jù)，合成相關(guān)曲線，進(jìn)一步得到材料的力學(xué)性能表征量。本課題主要研究?jī)?nèi)容為：（1）自動(dòng)球壓痕加載過(guò)程中試樣的應(yīng)力及變形規(guī)律建立自動(dòng)球壓痕測(cè)定材料力學(xué)性能的數(shù)值模型，研究加載過(guò)程中，試樣的應(yīng)力及變形規(guī)律。討論材料力學(xué)性能對(duì)壓痕周圍“凹陷”或“堆積”現(xiàn)象的影響。（2）自動(dòng)球壓痕測(cè)試中材料本構(gòu)模型與材料力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性根據(jù)載荷-壓痕曲線判斷材料的力學(xué)性能，并與實(shí)際輸入的材料本構(gòu)關(guān)系模型進(jìn)行對(duì)比，討論材料本構(gòu)模型與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。討論利用球形壓痕技術(shù)測(cè)定力學(xué)性能的普適性和有效性。（3） 數(shù)值模擬和常規(guī)性試驗(yàn)比對(duì)研究 從屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度兩方面入手，將數(shù)值模擬的結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果

17、進(jìn)行比對(duì)研究，驗(yàn)證自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)測(cè)定材料力學(xué)性能數(shù)值模擬的有效性。35第2章 自動(dòng)球壓痕技術(shù)原理第2章 自動(dòng)球壓痕技術(shù)原理球形壓痕法已經(jīng)成為估算材料力學(xué)性能的強(qiáng)有力工具7。球形壓頭壓入被測(cè)材料的表面，在同一個(gè)位置上連續(xù)壓入，載荷是加載、部分卸載、再加載的反復(fù)循環(huán)，與此同時(shí)位移和載荷傳感器實(shí)時(shí)的記載實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中的位移和載荷，并且由以下的關(guān)聯(lián)式得到鋼材的力學(xué)性能表征量。2.1 真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變的關(guān)聯(lián)在球形壓頭連續(xù)壓入的過(guò)程中，同步測(cè)量壓頭的壓痕深度以及載荷，并且合成載荷-位移曲線，如圖2-1所示，圖中給出了三個(gè)加載卸載循環(huán)周期，橫坐標(biāo)為總壓痕深度ht，縱坐標(biāo)是載荷，卸載曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)是殘余壓痕

18、深度hp。球形壓痕試驗(yàn)的壓痕示意圖如圖2-2所示8。圖2-1 自動(dòng)球壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷-位移曲線示意圖圖2-2 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)壓痕示意圖自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)由以前的測(cè)量壓痕直徑變更為測(cè)量壓痕深度。在前人的深入鉆研和分析基礎(chǔ)上，在均勻塑性變形的階段，真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變的曲線可由冪強(qiáng)化律方程表達(dá)：(2-1)經(jīng)過(guò)D.Tabor、F.M.Haggag、G.E.Lucas、H.A.F.rancis、P.Au等人的不斷研究和完善，真應(yīng)力和真塑性應(yīng)變可由下列方程求得(2-2)(2-3)式（2-2）所示，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)中的真應(yīng)力的值受約束因子影響。約束因子是一個(gè)和壓頭下面的塑性變形區(qū)域有關(guān)的參數(shù)，Hertz根據(jù)卸載后的

19、殘余壓痕直徑總結(jié)出了如下的方程：(2-4)假設(shè)球形壓頭是剛性的，則r1為D/2，其中r2是與壓痕直徑hp和殘余壓痕深度dp相關(guān)的函數(shù)，把卸載后的hp和dp帶入上式后可得一下方程：(2-5)(2-6)約束因子是一個(gè)和位置有關(guān)的函數(shù)，主要影響因素有兩個(gè)。一個(gè)是被測(cè)鋼材，不同的試驗(yàn)材料要根據(jù)不同的方程來(lái)決定約束因子的數(shù)值；另外約束因子還和應(yīng)變硬化和應(yīng)變速率有關(guān)系。綜合這兩點(diǎn)因素得到以下修正后的經(jīng)驗(yàn)方程：(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)在以上公式中，m是約束因子指數(shù)，它的值和材料的應(yīng)變速率敏感度是成比例的，而且對(duì)于低應(yīng)變速率敏感性的材料m的值取1。約束因子的值由式（2-7）確定，是Franc

20、is通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出的一個(gè)歸一化變化量。聯(lián)立式（2-1）-（2-10）即可得到真應(yīng)力真塑性應(yīng)變即tP的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)一步得到材料的均勻塑性流動(dòng)階段的真應(yīng)力真塑性應(yīng)變曲線圖。2.2 屈服強(qiáng)度與工程極限拉伸強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)2.2.1 測(cè)定屈服強(qiáng)度y由自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)獲得載荷位移曲線后，通過(guò)關(guān)聯(lián)式可以進(jìn)一步得到被測(cè)鋼材的屈服強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)加載卸載周期都會(huì)測(cè)得總壓痕深度ht，再根據(jù)以下關(guān)聯(lián)式把總壓痕深度轉(zhuǎn)換為總壓痕直徑dt.。(2-11)當(dāng)用Meyer定律描述載荷位移曲線時(shí)，載荷和壓痕直徑有如下關(guān)系： (2-12)指數(shù)m的取值在2到2.6之間，并且與球形壓頭的直徑無(wú)關(guān)，同時(shí)k值隨著D的增大而減小，

21、并且符合以下關(guān)系:(2-13)聯(lián)立以上式子可得：(2-14)經(jīng)過(guò)研究者們的不斷鉆研，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度可由以下方程得到：(2-15)式子中的壓痕參數(shù)A與應(yīng)變硬化和屈服強(qiáng)度有關(guān)，表現(xiàn)為試驗(yàn)過(guò)程中壓頭壓入的阻力大小，可以由（2-14）得出；m是鋼材的屈服系數(shù)，可以由常規(guī)試驗(yàn)獲得的屈服強(qiáng)度和A的值分析得到。經(jīng)過(guò)后期的研究工作，工作者分析不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果，得到以下修正后的公式：（2-16）式子中的B是屈服強(qiáng)度偏移參數(shù)。因此，由自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)獲得的載荷位移數(shù)值可以關(guān)聯(lián)得到被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度y。2.2.2 測(cè)定工程極限拉伸強(qiáng)度b經(jīng)過(guò)Haggag等人的研究，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)可以估算工程極限

22、拉伸強(qiáng)度b。如果被測(cè)鋼材的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線的規(guī)律和冪強(qiáng)化律方程相符，并且當(dāng)材料拉伸加載達(dá)到極限拉伸應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變硬化指數(shù)n和真均勻應(yīng)變近似相等，帶入（2-1）得到：（2-17）由此，對(duì)于真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線規(guī)律和冪強(qiáng)化律方程相符的材料來(lái)說(shuō)，可由以下方程推出工程極限拉伸強(qiáng)度b：（2-18）2.3 本章小結(jié)介紹了自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的基本原理，包括由試驗(yàn)獲得載荷-位移曲線的方法，通過(guò)載荷-位移數(shù)據(jù)獲得真塑性應(yīng)變-真實(shí)應(yīng)力曲線、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度等材料力學(xué)性能表征量的方法。為后續(xù)的球形壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)。第3章 自動(dòng)球壓痕測(cè)試的數(shù)值模擬第3章 自動(dòng)球壓痕測(cè)試的數(shù)值模擬有限元分析軟件對(duì)

23、于數(shù)據(jù)分析來(lái)說(shuō)是應(yīng)用最為廣泛最有效的工具。有限元分析的思路是把一些難以分析的復(fù)雜對(duì)象離散化，分成有限個(gè)簡(jiǎn)單的小單元，單元之間用結(jié)點(diǎn)相連，然后通過(guò)線性協(xié)調(diào)條件進(jìn)行求解。通過(guò)有限元軟件建模，能夠?qū)ψ詣?dòng)球壓痕試驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)的情況進(jìn)行模擬；有些測(cè)試中的操作誤差，采用有限元模擬可以避免；同時(shí)在真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)中，反復(fù)加載卸載后壓頭周圍的受力情況極為復(fù)雜，難以提取數(shù)據(jù)和分析，因此，采用有限元軟件建立本構(gòu)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，增加了研究工作的效率和精確度。本論文中采用了ABAQUS軟件對(duì)自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。與真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)相比，用有限元軟件進(jìn)行模擬可能會(huì)有較大的誤差，為了驗(yàn)證有限元模型的有效性，本文作者

24、首先利用有限元分析軟件ABAQUS，按照山東大學(xué)的湯杰所做的常規(guī)性試驗(yàn)的各個(gè)參數(shù)，建立了與試驗(yàn)參數(shù)相同的本構(gòu)模型，并且對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。最后再將模擬的結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證有限元分析的有效性。3.1 幾何模型自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的模型由有限元分析軟件ABAQUS建立。為了簡(jiǎn)化模型，建模過(guò)程中采用以下假設(shè)：（1） 壓頭和被測(cè)鋼材的材料是均勻連續(xù)的。在結(jié)構(gòu)和材料性能上都沒有突變，并且假設(shè)被測(cè)鋼材表面光滑。（2） 在試驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)閴侯^的變形量很小，幾乎可以忽略不計(jì)，因此在模型中將壓頭的楊氏模量設(shè)置為2.0×106MPa，比被測(cè)材料大十倍左右，可近似的當(dāng)做剛體處理。（3）被測(cè)鋼

25、材是彈塑性的，應(yīng)力應(yīng)變曲線為常規(guī)性試驗(yàn)測(cè)得的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。由于球壓痕試驗(yàn)的幾何結(jié)構(gòu)和受力均為軸對(duì)稱，因此將把壓頭和被測(cè)鋼材全部設(shè)置為軸對(duì)稱模型，壓頭和被測(cè)鋼材的模型尺寸如表3-1所示，壓頭和被測(cè)鋼材的裝配圖如圖3-1所示。表3-1 結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)體直徑/mm長(zhǎng)度/mm壓頭0.763510鋼材2010圖3-1 壓頭和被測(cè)鋼材裝配圖3.2 材料屬性試驗(yàn)中，被測(cè)鋼材產(chǎn)生了塑性變形，因此采用大變形的非線性有限元分析。被測(cè)材料為壓力容器常用鋼材15CrMoR和Q345R，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線取自拉伸斷裂試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力應(yīng)變曲線值。拉伸斷裂試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)通常是以名義應(yīng)變nom和名義應(yīng)力nom表示的，為了準(zhǔn)確地描

26、述大變形過(guò)程中截面面積的改變，需要使用真實(shí)應(yīng)變true和真實(shí)應(yīng)力true，兩者之間的轉(zhuǎn)換公式見式（3-1）和（3-2）。(3-1)（3-2)真實(shí)應(yīng)變true是由塑性應(yīng)變pl和彈性應(yīng)變el兩部分構(gòu)成的。在用ABAQUS確定彈塑性材料屬性時(shí)，需要使用塑性應(yīng)變el，表達(dá)式見式(3-3)(3-3)把拉伸斷裂試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線后，輸入到模型的材料屬性內(nèi)，并賦予被測(cè)鋼材。15CrMoR和Q345R的楊氏模量和泊松比見表3-2，拉伸斷裂試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖如圖3-2和圖3-3所示，提取的名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，轉(zhuǎn)化成真應(yīng)力真塑性應(yīng)變的數(shù)值見表3-3和表3-4。表3-2 被測(cè)材料參數(shù)表材料楊

27、氏模量/MPa泊松比15CrMoR2000000.30 Q3452060000.28表3-3 15CrMoR真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)表名義應(yīng)變名義應(yīng)力真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)力真塑性應(yīng)變0.0000 435.0000 435.0000 0.0000 0.0273 432.8218 0.0269 444.6378 0.0247 0.0298 445.4658 0.0294 458.7407 0.0271 續(xù)表3-30.0341 462.6957 0.0335 478.4736 0.0311 0.0471 480.9792 0.0460 503.6333 0.0435 0.0669 503.7941 0.06

28、48 537.4979 0.0621 0.0886 524.2832 0.0849 570.7347 0.0820 0.1069 537.8990 0.1016 595.4004 0.0986 0.1228 546.9343 0.1158 614.0978 0.1128 0.1416 554.7850 0.1324 633.3426 0.1293 0.1542 558.0988 0.1434 644.1576 0.1402 0.1734 561.3362 0.1599 658.6719 0.1566 0.1889 563.4654 0.1730 669.9040 0.1697 表3-4 Q34

29、5真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)表名義應(yīng)變名義應(yīng)力真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)力真塑性應(yīng)變0.0000 356.0000 361.0000 0.0000 0.01690 361.86078 0.0168 367.9747 0.0149 0.02064 372.11479 0.0204 379.7955 0.0185 0.02563 384.92775 0.0253 394.7943 0.0233 0.03000 396.46123 0.0296 408.3552 0.0275 0.03437 406.70611 0.0338 420.6829 0.0317 0.04060 420.78939 0.0398 437.

30、8739 0.0376 0.04995 439.98140 0.0487 461.9585 0.0464 0.05680 452.76693 0.0552 478.4855 0.0529 續(xù)表3-40.06615 469.38173 0.0641 500.4298 0.0615 0.07673 484.68964 0.0739 521.8791 0.0713 0.08669 498.71809 0.0831 541.9505 0.0804 0.09602 508.88985 0.0917 557.7519 0.0889 0.10410 516.50268 0.0990 570.2708 0.0

31、962 0.11405 525.37670 0.1080 585.2949 0.1051 0.12399 532.96212 0.1169 599.0457 0.1139 0.13642 540.51097 0.1279 614.2477 0.1248 0.14388 544.26712 0.1344 622.5736 0.1313 0.15381 547.98672 0.1431 632.2736 0.1399 0.16375 551.70631 0.1516 642.0476 0.1484 0.17368 554.13730 0.1601 650.3815 0.1569 0.18424 5

32、56.55915 0.1691 659.0984 0.1658 0.19231 557.72895 0.1759 664.9845 0.1726 0.19852 558.92616 0.1811 669.8818 0.1777 0.20845 560.06854 0.1893 676.8133 0.1860 圖3-2 15CrMoR拉伸斷裂試驗(yàn)的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3-3 Q345拉伸斷裂試驗(yàn)的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線3.3 邊界條件和初始條件在測(cè)試過(guò)程中，壓頭是自由的，連續(xù)向下壓入，因此在本模型中，未對(duì)壓頭施加任何約束。為了模擬壓頭不斷往下加載，部分卸載再加載的過(guò)程，本模型中給壓頭施加位移載荷，施加的

33、時(shí)候定義載荷隨著時(shí)間變化的幅值。在所有模擬過(guò)程中，總共有8次加載、部分卸載和再加載的循環(huán)。被測(cè)鋼板的底端是擺放在試驗(yàn)臺(tái)上，上表面被壓頭連續(xù)壓入變形。因此在本模型中將被測(cè)鋼材的底端和周邊固定。邊界條件的圖見圖3-3.圖3-4 模型邊界條件圖3.4 網(wǎng)格劃分在利用ABAQUS進(jìn)行有限元建模分析過(guò)程中，網(wǎng)格的劃分是非常重要的一步，網(wǎng)格劃分的過(guò)于密集，分析精度高，但單元數(shù)量很多，分析運(yùn)算耗時(shí)太久，容易不收斂；相反，如果網(wǎng)格太稀疏，單元數(shù)量少，運(yùn)算快，節(jié)省時(shí)間，但分析精度低。在此模型中由于被測(cè)鋼材尺寸太大，而壓頭壓入的影響區(qū)域很小。因此，在對(duì)被測(cè)鋼材劃分網(wǎng)格的時(shí)候采用了分割部件，對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)

34、格?？偣卜譃樗膲K，在壓頭壓入的部分劃分網(wǎng)格比較密集，提高分析精度，而在遠(yuǎn)離壓頭的部分劃分比較稀疏的網(wǎng)格，減少計(jì)算時(shí)間，提高效率。劃分時(shí)把壓頭和被測(cè)鋼材全部設(shè)置為四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形（CAX4R）單元類型，并且選擇四邊形網(wǎng)格。劃分好的網(wǎng)格見圖3-4和3-5。圖3-5 壓頭劃分網(wǎng)格圖圖3-6 被測(cè)鋼材網(wǎng)格劃分圖3.5 本章小結(jié)建立了自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的有限元模型，將壓頭和被測(cè)鋼材全部設(shè)置為軸對(duì)稱模型，壓頭近似剛體處理。按照常規(guī)性試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線賦予材料屬性。給壓頭施加位移載荷，定義載荷隨著時(shí)間變化的幅值，共有8次加載、部分卸載和再加載的循環(huán)。采用分割部件劃分網(wǎng)格，接近壓頭區(qū)域網(wǎng)格劃分密集。第4章

35、 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬與常規(guī)性試驗(yàn)比對(duì)研究第4章 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬與常規(guī)性試驗(yàn)比對(duì)研究與真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)相比，用有限元軟件進(jìn)行模擬可能會(huì)有較大的誤差，為了驗(yàn)證有限元軟件數(shù)值模擬自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的有效性，本文作者首先使用有限元分析軟件ABAQUS，按照根據(jù)山東大學(xué)的湯杰所做的常規(guī)性試驗(yàn)的各個(gè)參數(shù)，創(chuàng)建了和試驗(yàn)條件相同的有限元模型，并且對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)關(guān)聯(lián)式得到被測(cè)材料的載荷-位移曲線、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度，最后再將這些材料力學(xué)性能表征量和常規(guī)性試驗(yàn)的得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證有限元分析的有效性。4.1 自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析按照山東大學(xué)湯杰所做的常規(guī)性試驗(yàn)的參數(shù)，本文作者建立

36、了自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的有限元模型，建模過(guò)程第三章已講述，現(xiàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行研究分析。4.1.1 載荷-位移曲線模型建好后，創(chuàng)建作業(yè)并提交。計(jì)算完成后查看結(jié)果，可以看到，壓頭逐步向下壓入，為逐漸加載部分。到了所設(shè)定時(shí)間后，壓頭逐漸反向移動(dòng)，即為部分卸載過(guò)程。然后壓頭再逐漸向下移動(dòng)，以此循環(huán)，即為試驗(yàn)過(guò)程中的加載、部分卸載和再加載的循環(huán)過(guò)程。模型計(jì)算完成后，被測(cè)材料表面有很明顯的凹痕，而壓頭由于楊氏模量很大，近似剛體，模擬完成后并沒有明顯變形。15CrMoR的最后一次的卸載前和卸載后的云圖分別見圖4-1和圖4-2，Q345的最后一次卸載前和卸載后的云圖分別為圖4-3和圖4-4。觀察模擬結(jié)果，在壓頭不斷的

37、壓入被測(cè)材料的表面時(shí)，材料開始變形，逐漸出現(xiàn)凹痕，并且被測(cè)材料的內(nèi)部應(yīng)力也在不斷地變化著。由云圖結(jié)果得知，15CrMoR和Q345材料在模擬過(guò)程中最大應(yīng)力分別為669.9MPa和676.8MPa，由于Q345的楊氏模量要比15CrMoR的高，雖然差距很小，但是最大應(yīng)力還是要略大一些9。把圖4-1和圖4-2進(jìn)行對(duì)比，圖4-3和圖4-4進(jìn)行對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，原本已經(jīng)變形的鋼材有部分變形在部分卸載后進(jìn)行了恢復(fù)，并且鋼材的應(yīng)力情況也發(fā)生了變化。這和拉伸斷裂試驗(yàn)的結(jié)果是符合的，隨著載荷的逐漸卸載，鋼材的彈性變形逐漸恢復(fù)，但是塑性變形并不能進(jìn)行恢復(fù)10。卸載過(guò)程中，伴隨著彈性變形的消失，材料內(nèi)部的應(yīng)力也在不斷

38、變化著，卸載結(jié)束后，材料內(nèi)依然存在殘余應(yīng)力。 圖4-1 15CrMoR最后一次卸載前的云圖 圖4-2 15CrMoR最后一次卸載前的云圖圖4-3 Q345最后一次卸載前的云圖圖4-4 Q345最后一次卸載前的云圖圖4-2和圖4-4所示，試驗(yàn)結(jié)束后在鋼材的表面有明顯的凹坑，并且在壓頭周圍有較多的材料堆積，和自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)原理圖2-2相符。并且對(duì)比圖4-2和圖4-4可得，Q345的材料堆積要比15CrMoR的多。由于Q345的屈服強(qiáng)度小，楊氏模量大，壓頭和被測(cè)鋼材接觸部分的塑性變形較大，因此在卸載前會(huì)有更多的材料堆積11。結(jié)果還表明，在接近壓頭的部位有明顯的應(yīng)力集中，并且隨著與壓頭距離的增加而逐漸

39、變小，在遠(yuǎn)離壓頭的部位幾乎不存在應(yīng)力集中，這更加體現(xiàn)了自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。該試驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后只在被測(cè)材料表面留下最多0.5毫米的壓痕，并且應(yīng)力集中區(qū)域很小。除此之外，該試驗(yàn)不用刻意取材，可以在現(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，因此對(duì)于在服役的設(shè)備也同樣適用。模擬完成后，提取鋼材對(duì)稱軸最頂端的位移數(shù)據(jù)，即為壓痕深度。提取壓頭底端的約束反力，即為試驗(yàn)過(guò)程中的載荷。分別把兩組隨著時(shí)間變化的載荷、位移數(shù)據(jù)提取出來(lái)，合成載荷-位移曲線，15CrMoR和Q345的載荷位移曲線如圖4-5和圖4-6所示所示。圖4-5 15CrMoR有限元模型的載荷-位移曲線圖4-6 Q345有限元模型的載荷-位移曲線如圖4-5和圖4-

40、6所示，模擬中進(jìn)行了八次加載、部分卸載和再加載的循環(huán)，橫坐標(biāo)為總的壓痕深度ht，卸載曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為殘余壓痕深度hp，這和自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)原理圖2-1是相符的。4.1.2 真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線模擬完成后，提取載荷-位移數(shù)據(jù)，即可根據(jù)關(guān)聯(lián)式獲得真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線。讀取圖4-4中每個(gè)卸載途徑與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，即可得到八個(gè)卸載點(diǎn)的殘余壓痕深度hp，再根據(jù)式（2-5），即可把殘余壓痕深度hp轉(zhuǎn)化為殘余壓痕直徑dp。式（2-5）中的C由式（2-6）計(jì)算可得。由此再根據(jù)式（2-2）即可算出真塑性應(yīng)變。真應(yīng)力可由式（2-3）計(jì)算得到，其中的約束因子由式（2-7）（2-10）計(jì)算可得。由此即可得到有限元

41、模型的真應(yīng)力和真塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，15CrMoR和Q345的數(shù)據(jù)表見表4-1和表4-2，真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線見圖4-7和圖4-8。表4-1 15CrMoR有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)表htPhpdppt0.035152.6580.0320.3170.083673.2990.062285.8520.0600.4200.110718.7780.092407.4930.0880.4990.131726.4440.122504.5320.1180.5630.147728.0450.152624.8380.1470.6150.161733.8330.179728.4560.1750.6540.171744.6190

42、.212809.2170.2070.6920.181749.2620.240902.8260.2360.7200.189773.294表4-2 Q345有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)表htPhpdppt0.0343718139.5280.03251470.316555250.082922135617.73663560.0622858264.9160.05982590.419554260.109902884667.68704420.0913943386.3230.08821820.4980459050.130463891690.95990710.121555494.7430.1175680.56155273

43、40.147099603696.0486520.151356630.3380.1474440.6143690810.160934926740.89355650.178445705.9240.1744010.653063047032574890.210376823.5140.2061610.6911369260.181044381764.86330090.238765882.8440.2344240.7181340280.188116314759.4758859圖4-7 15CrMoR有限元模型的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線圖圖4-8 Q345有限元模型的真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲

44、線圖4.1.3 屈服強(qiáng)度y有限元模擬計(jì)算結(jié)束后，提取載荷-位移數(shù)據(jù)表并合成曲線，橫坐標(biāo)是總的壓痕深度ht，根據(jù)式（2-11)即可把殘余壓痕深度轉(zhuǎn)化為總壓痕直徑dt。然后使得dt/D的值為1，根據(jù)式子（2-14）求得A值。最后，根據(jù)公式（2-15）求得有限元模型的屈服強(qiáng)度y。圖4-9 15CrMoR有限元模型求解屈服強(qiáng)度示意圖圖4-10 Q345有限元模型求解屈服強(qiáng)度示意圖圖4-9為15CrMoR屈服強(qiáng)度的求解圖，求得A=1850。圖4-10為Q345屈服強(qiáng)度的求解圖，求得A=1800。修正公式如式（2-16）所示，需要知道m(xù)，即材料屈服系數(shù)，以及B，即屈服強(qiáng)度偏移系數(shù)。對(duì)于普通的鋼材，SSM-

45、Suite處理控制系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，m可取0.22。B是表征不同的試驗(yàn)之間會(huì)存在的誤差，但是本論文中將B的取值定為04。15CrMoR和Q345屈服強(qiáng)度的計(jì)算數(shù)據(jù)表格如表4-3和表4-4所示。表4-3 15CrMoR有限元模型屈服強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)表dt/DP/(dt2)Amy0.415999091513.27104918500.224070.5477984371634.1110830.6500391491654.3334220.7332364041669.8395610.7980840271682.8759850.8476970251739.0173840.8953387951761.6978180.9

46、28848531795.13113表4-4 Q345有限元模型屈服強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)表dt/DP/(dt2)Amy0.4146904561391.85888518000.223960.5474454231516.3813990.6492310751572.294460.7317391281585.0720890.7973473841700.827461續(xù)表4-40.8463918911690.4287760.8935735441769.2626080.9272061491761.6242534.1.4 極限拉伸強(qiáng)度b獲得載荷-位移曲線，根據(jù)關(guān)聯(lián)式得到真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度后，還可以進(jìn)一步估

47、算得到極限拉伸強(qiáng)度。如果被測(cè)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線符合冪強(qiáng)化關(guān)系，即符合式（2-1），即可獲得真應(yīng)力與強(qiáng)度系數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)的關(guān)系式（2-17）。本文中，利用自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)有限元模擬的模擬結(jié)果，對(duì)求得的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變添加冪關(guān)系的趨勢(shì)線，并得到冪關(guān)系的方程，得到強(qiáng)度系數(shù)K和應(yīng)變硬化指數(shù)n的值，最后按照式（2-18）估算得到極限拉伸強(qiáng)度b的值，該值近似于常規(guī)性試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度。對(duì)15CrMoR和Q345添加的趨勢(shì)線見圖11和圖12，,冪關(guān)系方程分別見式（4-1）和（4-2）。圖4-11 15CrMoR極限拉伸強(qiáng)度求解圖、圖4-12 Q345趨勢(shì)線 （4-1） （4-2）由式（4-1）和（4-2）

48、則分別可得到15CrMoR和Q345的K和n的值，再根據(jù)式（2-18）估算得到工程極限拉伸強(qiáng)度b的值，計(jì)算數(shù)據(jù)表見表4-5。表4-5 極限拉伸強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)表材料Kne極限拉伸強(qiáng)度/MPa15CrMoR949.610.13452.71828633.790694Q3451164.30.25522.71828636.60341974.2 數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)研究為了驗(yàn)證自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的有限元數(shù)值模擬的有效性，本文作者在有限元模型計(jì)算完成后，把結(jié)果和山東大學(xué)湯杰所做的拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)研究。4.2.1 常規(guī)性試驗(yàn)過(guò)程湯杰等人做的自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)過(guò)程如下圖所示，試驗(yàn)材料為15CrMoR

49、、Q235R、Q245R、Q345R鋼板，分別沿軋制方向取樣，拉伸試件如圖4-11所示。實(shí)驗(yàn)器材如4-12所示。其中15CrMoR原始交貨狀態(tài)下的和Q345應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4-13和圖4-14所示所示。圖4-7 拉伸斷裂試驗(yàn)的拉伸試件圖 圖4-8 WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 圖4-9 15CrMoR原始交貨狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4-9 Q345原始交貨狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)測(cè)得的15CrMoR和Q345的拉伸性能表征量見表4-5材料屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa單次值平均值單次值平均值15CrMoR437435572568433564Q34537635655855733

50、5555表4-5 拉伸性能數(shù)據(jù)表4.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)研究通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)研究，可以驗(yàn)證自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬的有效性。本文從兩個(gè)方面來(lái)比對(duì)，即對(duì)15CrMoR和Q345鋼材的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度分別進(jìn)行對(duì)比研究。（1） 屈服強(qiáng)度比對(duì)分析把湯杰做的拉伸斷裂試驗(yàn)的屈服強(qiáng)度和自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，并分析相對(duì)誤差，分析數(shù)據(jù)見表4-6。表4-6 15CrMoR和Q345屈服強(qiáng)度比對(duì)分析表被測(cè)材料拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度/MPa自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬的屈服強(qiáng)度/MPa相對(duì)誤差15CrMoR4354076.43%Q345356391.6-10

51、%從表4-6中可以看出，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬的材料屈服強(qiáng)度和拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度對(duì)比，相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)。誤差可能來(lái)源于以下三個(gè)方面。第一是湯杰做的拉伸試驗(yàn)本身就存在一定的誤差。如果單獨(dú)比較湯杰的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，同一種材料不同的試件的屈服強(qiáng)度也有些許差別，其中Q345的兩個(gè)試件屈服強(qiáng)度相差41MPa，相對(duì)誤差為12%，這些試驗(yàn)本身的誤差會(huì)導(dǎo)致有限元模擬結(jié)果和拉伸試驗(yàn)對(duì)比產(chǎn)生偏差。第二是利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)候會(huì)有些誤差。在賦予材料屬性時(shí)候，被測(cè)材料的彈性模量和泊松比是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里面查得，而湯杰的拉伸試驗(yàn)所選用的鋼材性能可能會(huì)與國(guó)標(biāo)有些許不同。同時(shí)，模擬的材料是彈塑性材料，所

52、輸入的真應(yīng)力和真塑性應(yīng)變數(shù)值是由名義應(yīng)力和名義應(yīng)變推倒而來(lái)，名義應(yīng)力和名義應(yīng)變?nèi)∽岳煸囼?yàn)的的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，在曲線上面提取數(shù)值時(shí)可能會(huì)有較大的誤差。第三，在自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的有限元模型提取載荷-位移曲線后，由該曲線計(jì)算出屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度時(shí)精確度不高。屈服強(qiáng)度是根據(jù)（2-16）計(jì)算得到的，而在公式里，我們把屈服系數(shù)m都取得0.22，把屈服強(qiáng)度偏移系數(shù)B都取得0，在實(shí)際情況中，因?yàn)楸粶y(cè)材料不相同，如果把這兩個(gè)參數(shù)都設(shè)置成同一個(gè)數(shù)值，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精確度不高?？傮w來(lái)說(shuō)，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)?zāi)M的屈服強(qiáng)度和湯杰的拉伸試驗(yàn)所測(cè)得屈服強(qiáng)度誤差在可接受范圍內(nèi)，吻合程度較好，基本能夠滿足工程上的需要

53、。驗(yàn)證了有限元模擬的有效性。（2） 極限拉伸強(qiáng)度的比對(duì)分析自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)估算得到的極限拉伸強(qiáng)度近似于常規(guī)性試驗(yàn)中得到的抗拉強(qiáng)度，本文中利用有限元模擬的結(jié)果估算被測(cè)材料的極限拉伸強(qiáng)度，并且和湯杰的常規(guī)性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證有限元數(shù)值模擬估算極限拉伸強(qiáng)度的有效性。對(duì)比結(jié)果見表4-7表4-7 15CrMoR和Q345拉伸強(qiáng)度比對(duì)分析表被測(cè)材料自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬的拉伸強(qiáng)度ReL/MPa拉伸試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度ReL/MPa相對(duì)誤差15CrMoR633.79069456811.58%Q345636.603419756313.07%由表4-7可以看出，相對(duì)誤差在10%左右，因?yàn)橛?jì)算極限拉伸強(qiáng)度時(shí)

54、候是估算，必定會(huì)存在誤差，但是在整體上，自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)數(shù)值模擬估算的極限拉伸強(qiáng)度和常規(guī)性試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度基本上還是相符的，從而驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬估算極限拉伸強(qiáng)度的有效性。4.3 本章小結(jié)本章以15CrMoR和Q345為研究對(duì)象，首先對(duì)ABAQUS的有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。卸載后部分塑性變形得以恢復(fù)。模擬結(jié)束后，壓頭周圍存在很明顯的應(yīng)力。并且Q345的楊氏模量大，因此最大應(yīng)力也要大。與此同時(shí)，由于Q345的屈服強(qiáng)度小，壓頭壓入過(guò)程中塑性變形會(huì)大，材料堆積較多。其次，由模擬結(jié)果中提取出載荷-位移曲線，再根據(jù)關(guān)聯(lián)式得到真塑性應(yīng)變-真應(yīng)力曲線、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度等材料力學(xué)性能表征量。最后，分別從屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度入手，把數(shù)值模擬結(jié)果和常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。分析表明，數(shù)值模擬得到的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度與常規(guī)性試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，從而驗(yàn)證了有限元模擬測(cè)定材料力學(xué)性能的有效性。第5章 結(jié)論第5章 結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視工業(yè)生產(chǎn)中的安全問(wèn)題，因此對(duì)在服役中的設(shè)備的檢驗(yàn)以及