金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù)發(fā)展的新思路

馬輝+++王建+++朱錦波+++姚久紅

摘 要：計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，可以對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材；建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬提供數(shù)據(jù)支持；利用計(jì)算機(jī)模擬軟件建立金屬構(gòu)件在服役條件下的力學(xué)性能分析，為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：金屬力學(xué)性能；有限元；應(yīng)力應(yīng)變

1 引言

在金屬材料力學(xué)性能檢測的過程中，影響最終檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素有很多，這其中包括：測試人員素質(zhì)、測試方法、試樣狀態(tài)、環(huán)境條件等。當(dāng)前對金屬力學(xué)性能檢測技術(shù)的改進(jìn)集中體現(xiàn)在對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)以及測試方法的科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化方面，對于試樣在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的研究只能局限于樣品在測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，但金屬構(gòu)件大多具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸，且其服役條件往往也是極端復(fù)雜的，通過力學(xué)試驗(yàn)測定的結(jié)果作為判據(jù)，并不能確切的表征金屬材料在實(shí)際工作條件下的強(qiáng)度行為，因而不能對金屬的使用性能做出確切可靠的評價(jià)。

利用有限元分析軟件對金屬材料的力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，不僅能有效的預(yù)測金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為選材和質(zhì)量控制提供一些技術(shù)依據(jù)。

有限元是在連續(xù)體上進(jìn)行近似計(jì)算的一種數(shù)值方法，它經(jīng)過了40多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套相當(dāng)完善的理論體系，是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。可以解決如工程的結(jié)構(gòu)分析、電磁學(xué)和熱力學(xué)等方面的問題。近年來我國對材料力學(xué)的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，但對于金屬只進(jìn)行了一些較為常見的材料在特定力學(xué)條件下的有限元分析，提出了一些材料力學(xué)性能指標(biāo)和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。

2 ANSYS有限元模擬與試驗(yàn)室力學(xué)性能檢測耦合

有限元分析就是將復(fù)雜的連續(xù)物理對象劃分成一個(gè)個(gè)離散的子域，利用子域建立的近似的函數(shù)進(jìn)行描述；推導(dǎo)求解處理所有子域誤差以此來建立整體的分析方程，再通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算處理功能，就可以利用數(shù)值求解方法解決任意復(fù)雜的問題[1]。

金屬材料常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗(yàn)五方面。現(xiàn)行力學(xué)性能檢測絕大多數(shù)是借助幾何形狀非常簡單的標(biāo)準(zhǔn)試樣裝卡在普通的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，在簡單的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)檢測。利用ANSYS有限元模擬力學(xué)檢測試驗(yàn)，可以使整個(gè)試驗(yàn)過程能夠直觀的表現(xiàn)，并能建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 模擬拉伸試驗(yàn)

以模擬拉伸試驗(yàn)為例，國內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 228.1-2010 金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》，主要測定的檢測項(xiàng)目為：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經(jīng)歷彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮四個(gè)階段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標(biāo)距部分的伸長L計(jì)算得出應(yīng)力-應(yīng)變圖，從而得出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

ANSYS模擬金屬拉伸試驗(yàn)主要分為：建模、設(shè)置物理參數(shù)、設(shè)置加載條件和求解等幾大部分。根據(jù)拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計(jì)算時(shí)間、減少存儲空間，同時(shí)也可以滿足計(jì)算精度的要求，如圖1。因?yàn)榻饘俨牧洗蠖际歉飨蛲缘模恍枰斎隓ENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）定義即可。加載條件的設(shè)置主要以測試材料實(shí)測的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。

2.2 模擬數(shù)據(jù)庫的建立

DENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）是表示材料自身特性的參數(shù)，其大小與材料本身的狀態(tài)，例如元素含量，熱處理狀態(tài)等相關(guān)，與使用環(huán)境，受力狀態(tài)無關(guān)。模擬拉伸試驗(yàn)的意義在于通過對實(shí)際檢測結(jié)果的耦合，推出不同材料自身的模擬參數(shù)（DENS、EX和NUXY），此時(shí)這些模擬參數(shù)與實(shí)際材料的固有參數(shù)無關(guān)，是使模擬結(jié)果與實(shí)際檢測相耦合的條件，并建立相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，流程如圖2。

圖2 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫建立的流程圖

3 金屬構(gòu)件的應(yīng)用模擬

近年來，在金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中注意力更集中于“服役機(jī)件”而不是普通試樣，模擬機(jī)件壽命試驗(yàn)有逐步發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科的趨勢。如英國北海油田開發(fā)用金屬材料及加拿大天然氣管道構(gòu)件，廣泛采用模擬試驗(yàn)來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發(fā)動機(jī)的地面模擬試驗(yàn)在世界各國廣泛采用[2]。但這些金屬構(gòu)件的全尺寸模擬試驗(yàn)缺乏普遍性且實(shí)施比較困難（費(fèi)用昂貴和技術(shù)復(fù)雜），更多地用于各種關(guān)鍵性構(gòu)件的模擬測試中。

追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)利用ANSYS建立相關(guān)模型，利用已有數(shù)據(jù)庫中的模擬參數(shù)，對金屬構(gòu)件進(jìn)行模擬分析，流程如圖3所示，探求普通力學(xué)性能測試方法所得到的金屬力學(xué)性能判據(jù)與金屬制件在真實(shí)服役條件下所顯示的強(qiáng)度行為之間相互關(guān)聯(lián)的各種規(guī)律性。不僅實(shí)施簡單，節(jié)約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應(yīng)用于各種金屬構(gòu)件，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬服役條件下金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

圖3 利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫模擬真實(shí)服役條件下力學(xué)性能的流程圖

4 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材。

通過有限元分析的模擬分析，使具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸金屬構(gòu)件在真實(shí)服役條件下得到表征。不僅能有效的預(yù)測金屬材料在實(shí)際使用過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件下的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]曹用濤.金屬力學(xué)性能測試進(jìn)展[J].北京：理化檢驗(yàn)-物理分冊， 1994，30（5）：22-25.endprint

摘 要：計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，可以對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材；建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬提供數(shù)據(jù)支持；利用計(jì)算機(jī)模擬軟件建立金屬構(gòu)件在服役條件下的力學(xué)性能分析，為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：金屬力學(xué)性能；有限元；應(yīng)力應(yīng)變

1 引言

在金屬材料力學(xué)性能檢測的過程中，影響最終檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素有很多，這其中包括：測試人員素質(zhì)、測試方法、試樣狀態(tài)、環(huán)境條件等。當(dāng)前對金屬力學(xué)性能檢測技術(shù)的改進(jìn)集中體現(xiàn)在對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)以及測試方法的科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化方面，對于試樣在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的研究只能局限于樣品在測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，但金屬構(gòu)件大多具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸，且其服役條件往往也是極端復(fù)雜的，通過力學(xué)試驗(yàn)測定的結(jié)果作為判據(jù)，并不能確切的表征金屬材料在實(shí)際工作條件下的強(qiáng)度行為，因而不能對金屬的使用性能做出確切可靠的評價(jià)。

利用有限元分析軟件對金屬材料的力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，不僅能有效的預(yù)測金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為選材和質(zhì)量控制提供一些技術(shù)依據(jù)。

有限元是在連續(xù)體上進(jìn)行近似計(jì)算的一種數(shù)值方法，它經(jīng)過了40多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套相當(dāng)完善的理論體系，是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。可以解決如工程的結(jié)構(gòu)分析、電磁學(xué)和熱力學(xué)等方面的問題。近年來我國對材料力學(xué)的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，但對于金屬只進(jìn)行了一些較為常見的材料在特定力學(xué)條件下的有限元分析，提出了一些材料力學(xué)性能指標(biāo)和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。

2 ANSYS有限元模擬與試驗(yàn)室力學(xué)性能檢測耦合

有限元分析就是將復(fù)雜的連續(xù)物理對象劃分成一個(gè)個(gè)離散的子域，利用子域建立的近似的函數(shù)進(jìn)行描述；推導(dǎo)求解處理所有子域誤差以此來建立整體的分析方程，再通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算處理功能，就可以利用數(shù)值求解方法解決任意復(fù)雜的問題[1]。

金屬材料常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗(yàn)五方面。現(xiàn)行力學(xué)性能檢測絕大多數(shù)是借助幾何形狀非常簡單的標(biāo)準(zhǔn)試樣裝卡在普通的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，在簡單的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)檢測。利用ANSYS有限元模擬力學(xué)檢測試驗(yàn)，可以使整個(gè)試驗(yàn)過程能夠直觀的表現(xiàn)，并能建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 模擬拉伸試驗(yàn)

以模擬拉伸試驗(yàn)為例，國內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 228.1-2010 金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》，主要測定的檢測項(xiàng)目為：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經(jīng)歷彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮四個(gè)階段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標(biāo)距部分的伸長L計(jì)算得出應(yīng)力-應(yīng)變圖，從而得出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

ANSYS模擬金屬拉伸試驗(yàn)主要分為：建模、設(shè)置物理參數(shù)、設(shè)置加載條件和求解等幾大部分。根據(jù)拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計(jì)算時(shí)間、減少存儲空間，同時(shí)也可以滿足計(jì)算精度的要求，如圖1。因?yàn)榻饘俨牧洗蠖际歉飨蛲缘模恍枰斎隓ENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）定義即可。加載條件的設(shè)置主要以測試材料實(shí)測的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。

2.2 模擬數(shù)據(jù)庫的建立

DENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）是表示材料自身特性的參數(shù)，其大小與材料本身的狀態(tài)，例如元素含量，熱處理狀態(tài)等相關(guān)，與使用環(huán)境，受力狀態(tài)無關(guān)。模擬拉伸試驗(yàn)的意義在于通過對實(shí)際檢測結(jié)果的耦合，推出不同材料自身的模擬參數(shù)（DENS、EX和NUXY），此時(shí)這些模擬參數(shù)與實(shí)際材料的固有參數(shù)無關(guān)，是使模擬結(jié)果與實(shí)際檢測相耦合的條件，并建立相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，流程如圖2。

圖2 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫建立的流程圖

3 金屬構(gòu)件的應(yīng)用模擬

近年來，在金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中注意力更集中于“服役機(jī)件”而不是普通試樣，模擬機(jī)件壽命試驗(yàn)有逐步發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科的趨勢。如英國北海油田開發(fā)用金屬材料及加拿大天然氣管道構(gòu)件，廣泛采用模擬試驗(yàn)來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發(fā)動機(jī)的地面模擬試驗(yàn)在世界各國廣泛采用[2]。但這些金屬構(gòu)件的全尺寸模擬試驗(yàn)缺乏普遍性且實(shí)施比較困難（費(fèi)用昂貴和技術(shù)復(fù)雜），更多地用于各種關(guān)鍵性構(gòu)件的模擬測試中。

追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)利用ANSYS建立相關(guān)模型，利用已有數(shù)據(jù)庫中的模擬參數(shù)，對金屬構(gòu)件進(jìn)行模擬分析，流程如圖3所示，探求普通力學(xué)性能測試方法所得到的金屬力學(xué)性能判據(jù)與金屬制件在真實(shí)服役條件下所顯示的強(qiáng)度行為之間相互關(guān)聯(lián)的各種規(guī)律性。不僅實(shí)施簡單，節(jié)約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應(yīng)用于各種金屬構(gòu)件，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬服役條件下金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

圖3 利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫模擬真實(shí)服役條件下力學(xué)性能的流程圖

4 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材。

通過有限元分析的模擬分析，使具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸金屬構(gòu)件在真實(shí)服役條件下得到表征。不僅能有效的預(yù)測金屬材料在實(shí)際使用過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件下的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]曹用濤.金屬力學(xué)性能測試進(jìn)展[J].北京：理化檢驗(yàn)-物理分冊， 1994，30（5）：22-25.endprint

摘 要：計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，可以對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材；建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬提供數(shù)據(jù)支持；利用計(jì)算機(jī)模擬軟件建立金屬構(gòu)件在服役條件下的力學(xué)性能分析，為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：金屬力學(xué)性能；有限元；應(yīng)力應(yīng)變

1 引言

在金屬材料力學(xué)性能檢測的過程中，影響最終檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素有很多，這其中包括：測試人員素質(zhì)、測試方法、試樣狀態(tài)、環(huán)境條件等。當(dāng)前對金屬力學(xué)性能檢測技術(shù)的改進(jìn)集中體現(xiàn)在對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)以及測試方法的科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化方面，對于試樣在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的研究只能局限于樣品在測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，但金屬構(gòu)件大多具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸，且其服役條件往往也是極端復(fù)雜的，通過力學(xué)試驗(yàn)測定的結(jié)果作為判據(jù)，并不能確切的表征金屬材料在實(shí)際工作條件下的強(qiáng)度行為，因而不能對金屬的使用性能做出確切可靠的評價(jià)。

利用有限元分析軟件對金屬材料的力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，不僅能有效的預(yù)測金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為選材和質(zhì)量控制提供一些技術(shù)依據(jù)。

有限元是在連續(xù)體上進(jìn)行近似計(jì)算的一種數(shù)值方法，它經(jīng)過了40多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套相當(dāng)完善的理論體系，是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。可以解決如工程的結(jié)構(gòu)分析、電磁學(xué)和熱力學(xué)等方面的問題。近年來我國對材料力學(xué)的有限元分析進(jìn)行了大量的研究，但對于金屬只進(jìn)行了一些較為常見的材料在特定力學(xué)條件下的有限元分析，提出了一些材料力學(xué)性能指標(biāo)和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。

2 ANSYS有限元模擬與試驗(yàn)室力學(xué)性能檢測耦合

有限元分析就是將復(fù)雜的連續(xù)物理對象劃分成一個(gè)個(gè)離散的子域，利用子域建立的近似的函數(shù)進(jìn)行描述；推導(dǎo)求解處理所有子域誤差以此來建立整體的分析方程，再通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算處理功能，就可以利用數(shù)值求解方法解決任意復(fù)雜的問題[1]。

金屬材料常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗(yàn)五方面。現(xiàn)行力學(xué)性能檢測絕大多數(shù)是借助幾何形狀非常簡單的標(biāo)準(zhǔn)試樣裝卡在普通的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，在簡單的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)檢測。利用ANSYS有限元模擬力學(xué)檢測試驗(yàn)，可以使整個(gè)試驗(yàn)過程能夠直觀的表現(xiàn)，并能建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進(jìn)行力學(xué)性能模擬分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 模擬拉伸試驗(yàn)

以模擬拉伸試驗(yàn)為例，國內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 228.1-2010 金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》，主要測定的檢測項(xiàng)目為：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經(jīng)歷彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮四個(gè)階段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標(biāo)距部分的伸長L計(jì)算得出應(yīng)力-應(yīng)變圖，從而得出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

ANSYS模擬金屬拉伸試驗(yàn)主要分為：建模、設(shè)置物理參數(shù)、設(shè)置加載條件和求解等幾大部分。根據(jù)拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計(jì)算時(shí)間、減少存儲空間，同時(shí)也可以滿足計(jì)算精度的要求，如圖1。因?yàn)榻饘俨牧洗蠖际歉飨蛲缘模恍枰斎隓ENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）定義即可。加載條件的設(shè)置主要以測試材料實(shí)測的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。

2.2 模擬數(shù)據(jù)庫的建立

DENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）是表示材料自身特性的參數(shù)，其大小與材料本身的狀態(tài)，例如元素含量，熱處理狀態(tài)等相關(guān)，與使用環(huán)境，受力狀態(tài)無關(guān)。模擬拉伸試驗(yàn)的意義在于通過對實(shí)際檢測結(jié)果的耦合，推出不同材料自身的模擬參數(shù)（DENS、EX和NUXY），此時(shí)這些模擬參數(shù)與實(shí)際材料的固有參數(shù)無關(guān)，是使模擬結(jié)果與實(shí)際檢測相耦合的條件，并建立相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，流程如圖2。

圖2 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫建立的流程圖

3 金屬構(gòu)件的應(yīng)用模擬

近年來，在金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中注意力更集中于“服役機(jī)件”而不是普通試樣，模擬機(jī)件壽命試驗(yàn)有逐步發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科的趨勢。如英國北海油田開發(fā)用金屬材料及加拿大天然氣管道構(gòu)件，廣泛采用模擬試驗(yàn)來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發(fā)動機(jī)的地面模擬試驗(yàn)在世界各國廣泛采用[2]。但這些金屬構(gòu)件的全尺寸模擬試驗(yàn)缺乏普遍性且實(shí)施比較困難（費(fèi)用昂貴和技術(shù)復(fù)雜），更多地用于各種關(guān)鍵性構(gòu)件的模擬測試中。

追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)利用ANSYS建立相關(guān)模型，利用已有數(shù)據(jù)庫中的模擬參數(shù)，對金屬構(gòu)件進(jìn)行模擬分析，流程如圖3所示，探求普通力學(xué)性能測試方法所得到的金屬力學(xué)性能判據(jù)與金屬制件在真實(shí)服役條件下所顯示的強(qiáng)度行為之間相互關(guān)聯(lián)的各種規(guī)律性。不僅實(shí)施簡單，節(jié)約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應(yīng)用于各種金屬構(gòu)件，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬服役條件下金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

圖3 利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫模擬真實(shí)服役條件下力學(xué)性能的流程圖

4 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗(yàn)，能夠直觀對金屬材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材。

通過有限元分析的模擬分析，使具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸金屬構(gòu)件在真實(shí)服役條件下得到表征。不僅能有效的預(yù)測金屬材料在實(shí)際使用過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件下的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供參考，還能對改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]曹用濤.金屬力學(xué)性能測試進(jìn)展[J].北京：理化檢驗(yàn)-物理分冊， 1994，30（5）：22-25.endprint