連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺(tái)

楊 濱， 孔德勝， 邵曉明， 柏欽成， 胡沛語， 李玫蓁

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.淄博市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 淄博 255000）

0 引 言

傳統(tǒng)承壓設(shè)備及管道檢測(cè)只能針對(duì)缺陷、腐蝕、泄漏等問題，無法體現(xiàn)設(shè)備的剩余強(qiáng)度（材料的力學(xué)性能），在完整性評(píng)估方面存在很大的局限［1］。連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)作為一種非破壞性的力學(xué)性能測(cè)試方法，在服役運(yùn)行設(shè)備老化程度監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用潛力［2］。在國(guó)家大力推廣新工科教育的背景下，連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)已作為創(chuàng)新型試驗(yàn)引入大學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。通過該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更深刻、形象地理解材料力學(xué)中的塑性變形、彈性回復(fù)、應(yīng)變強(qiáng)化等問題，同時(shí)還可以引導(dǎo)學(xué)生了解特種承壓類設(shè)備及管道監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)等科技前沿的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工程問題的理解和認(rèn)識(shí)。Matlab／APP設(shè)計(jì)工具是一種新型的圖形用戶界面開發(fā)方式，可方便實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研等用戶的特定操作需求。使用者不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的代碼，只需了解具體操作步驟，即可方便操作界面［3-6］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于Matlab／APP設(shè)計(jì)工具的連續(xù)球壓痕學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺(tái)。學(xué)習(xí)型使用者可通過對(duì)連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)流程認(rèn)識(shí)和了解材料力學(xué)中的彈塑性變形問題，有助于感受書本知識(shí)與工程應(yīng)用直接的聯(lián)系和區(qū)別。該平臺(tái)利用壓痕儀器獲得的載荷-深度數(shù)據(jù)進(jìn)行真應(yīng)力、真應(yīng)變［7］、屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的運(yùn)算。使用者無需學(xué)習(xí)相應(yīng)理論只需要將獲取數(shù)據(jù)正確輸入到平臺(tái)，然后啟動(dòng)算法模塊便可計(jì)算輸出應(yīng)力、應(yīng)變、屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能。使用該平臺(tái)能大幅節(jié)省使用者的數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間，同時(shí)可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整獲取最新結(jié)果，進(jìn)一步提高研究效率。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺(tái)（后簡(jiǎn)稱：應(yīng)用平臺(tái)）的結(jié)構(gòu)和主要功能如圖1所示。平臺(tái)主要由主頁(yè)面、表格查看與修改界面、圖像繪制界面組成。主頁(yè)面中包含基本數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)文件查找、方法選擇、數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與輸出等模塊；表格頁(yè)面包含表格數(shù)據(jù)初始化、插入和刪除等模塊；圖像繪制界面包含圖像繪制和結(jié)果輸出等模塊。數(shù)據(jù)文件查找模塊支持各種表格文件和文本文件；方法選擇模塊提供了兩種理論的真應(yīng)力、真應(yīng)變的計(jì)算方法；數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算模塊整合了外部數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)單位化以及中間數(shù)據(jù)（如壓痕投影直徑和線彈性約束因子）的復(fù)雜計(jì)算；通過表格頁(yè)面數(shù)據(jù)的快速刪減能夠高效率的得出準(zhǔn)確結(jié)果，同時(shí)可研究相關(guān)參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所有界面均使用Matlab／APP設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)，通過編寫回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能［8-9］。

圖1 應(yīng)用平臺(tái)結(jié)構(gòu)與功能示意圖

2 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.1 主界面設(shè)計(jì)

應(yīng)用平臺(tái)的初始化頁(yè)面如圖2所示，用戶了解平臺(tái)使用方法后點(diǎn)擊“進(jìn)入主頁(yè)面”按鈕進(jìn)入如圖3所示的主界面，其特點(diǎn)為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，操作明了。主界面中包含基本數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)文件查找，方法選擇，數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與輸出等模塊。

圖2 應(yīng)用平臺(tái)初始化界面

圖3 應(yīng)用平臺(tái)主界面

2.2 數(shù)據(jù)傳入模塊

采用EditField和Button控件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件查找模塊，該模塊由圖3中的“文件地址”文本框和“文件查找”按鈕組成，主要功能是打開如圖4所示的文件選擇對(duì)話框獲取需要計(jì)算的數(shù)據(jù)文件。用戶將試樣彈性模量、壓頭彈性模量和壓頭直徑鍵入到相應(yīng)位置后，點(diǎn)擊“文件查找”按鈕，隨即彈出對(duì)話框，找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件并點(diǎn)擊圖4頁(yè)面中‘確定’按鈕，文件位置便顯示在“文件地址”文本框中。為便于用戶使用，該模塊提供了多種表格文件（csv文件；xlsx文件；.xls文件）和文本文件（txt文件）的數(shù)據(jù)讀取。

圖4 用戶選擇數(shù)據(jù)文件頁(yè)面

2.3 數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算模塊

數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算模塊是應(yīng)用平臺(tái)的核心部分，該模塊包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單位化、數(shù)據(jù)整體化、理論推導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)換算法4部分，該模塊由“計(jì)算”按鈕的回調(diào)函數(shù)結(jié)合waitbar句柄以及私有函數(shù)Diedai＿dp（app，HP，Zaihe）實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用平臺(tái)主要處理最大壓入深度、最大壓入載荷、卸載曲線斜率［11］和殘余壓痕深度4組數(shù)據(jù)。其中，最大壓入深度和最大壓入載荷兩組數(shù)據(jù)為兩種理論方法的必要數(shù)據(jù)。此外，理論推導(dǎo)的計(jì)算需要卸載曲線斜率，而經(jīng)驗(yàn)換算法的計(jì)算需要?dú)堄鄩汉凵疃龋摧斎胱畲髩喝肷疃取⒆畲髩喝胼d荷＋卸載曲線斜率／殘余壓痕深度就可獲得測(cè)試材料的拉伸性能［12-15］。

用戶數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)順序和數(shù)據(jù)單位各有不同，為便于用戶使用計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)了如圖5所示的數(shù)據(jù)調(diào)整工作區(qū)。數(shù)據(jù)調(diào)整工作區(qū)由4組8個(gè)下拉選擇框組成，分別對(duì)應(yīng)最大壓入深度、最大壓入載荷、卸載曲線斜率和殘余壓痕深度4類數(shù)據(jù)，用戶在使用時(shí)可以根據(jù)圖9數(shù)據(jù)表格中的數(shù)據(jù)順序做出適當(dāng)調(diào)整，其中最大壓入載荷提供了kgf、kN、N 3種單位，最大壓入深度和殘余壓痕深度提供了μm、mm 2種單位，卸載曲線斜率提供了kgf／μm、N／μm、N／m 3種單位。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單位化主要是根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)和單位將數(shù)據(jù)化為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存起來。

圖5 數(shù)據(jù)調(diào)整工作區(qū)

應(yīng)用平臺(tái)的理論推導(dǎo)法需將采集的深度信息轉(zhuǎn)化成接觸面積信息，這一過程需要考慮壓頭下壓過程中產(chǎn)生的塑性堆積和沉入的情況（見圖6［9］）。該算法模塊中依次嵌入了圖6中的hd、hc*、hpile*、hc、Ac等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，利用接觸面積Ac、載荷Fmax、接觸角θ、塑性約束因子Ψ等參數(shù)來確定真應(yīng)力σT、真應(yīng)變?chǔ)臫。

圖6 壓痕沉入-堆積示意圖

圖中：hmax為壓頭一次加載的最大深度；hd為卸載完恢復(fù)彈性形變后的壓入深度；hpile為壓痕堆積與壓頭接觸的最高點(diǎn)到基準(zhǔn)平面的高度；hc為壓痕堆積與壓頭接觸的最高點(diǎn)到最大深度處的距離；R為壓頭的半徑。

應(yīng)用平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)換算法需要通過彈性理論、塑性理論及半經(jīng)驗(yàn)公式，換算得到材料的拉伸性能［2］。壓痕幾何尺寸如圖7所示。該算法中依次嵌入總壓痕直徑dt、塑性直徑dp、塑性變形約束效應(yīng)有關(guān)的常數(shù)Φ和δ和屈服參數(shù)A等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，其中塑性直徑dp需由計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算得到。

圖7 壓痕幾何尺寸圖

圖中：ht為最大壓入深度；hp為殘余壓痕深度；dt為最大壓痕直徑；dp為塑性直徑。

3 數(shù)據(jù)查看與修改功能

為增加用戶處理數(shù)據(jù)的靈活性，數(shù)據(jù)交互功能開發(fā)出如圖8所示的可編輯表格界面。采用EditField、Button和UITable控件，設(shè)計(jì)“數(shù)據(jù)查看與修改”界面。具體包含：“行數(shù)”“列數(shù)”“刪去某行”數(shù)字編輯文本，“初始化表格”“添加一行”“刪去一行”“數(shù)據(jù)確認(rèn)并返回”按鈕。用戶可以依據(jù)自己的需求，進(jìn)行查看、修改、重新編寫等操作。例如：點(diǎn)擊“添加一行”按鈕可以在數(shù)據(jù)表的最后一行增加一行空白數(shù)據(jù)組；在“刪去某行”文本鍵入要?jiǎng)h去的行數(shù)并點(diǎn)擊“刪除一行”按鈕，可以刪除指定的文本行；在“行數(shù)”和“列數(shù)”文本鍵入相應(yīng)的行數(shù)和列數(shù)，點(diǎn)擊“初始化表格”按鈕，可以生成新的空白表格。該功能的實(shí)現(xiàn)所使用的回調(diào)函數(shù)包括ButtonPushed、Button＿2Pushed、Button＿3Pushed和Button＿4Pushed。

2.肝型。常表現(xiàn)為慢性，病程1～3個(gè)月，多見于60～90日齡的仔兔。早期表現(xiàn)為精神不振，體況較差，厭食、消瘦、虛弱，輕度腹瀉或便秘，腹圍增大和下垂，肝部腫大，觸診肝區(qū)疼痛；后期口、鼻、眼黏膜見于黃染，并出現(xiàn)四肢麻痹，尤以后肢為甚，最后下痢，脫水、衰竭而死，幼兔常見于神經(jīng)癥狀(痙攣或麻痹)，除幼兔嚴(yán)重感染外，很少死亡。

圖8 用戶數(shù)據(jù)查看與修改界面

4 繪圖功能

應(yīng)用平臺(tái)的繪圖界面如圖9所示，主要包括圖像繪制和拉伸性能計(jì)算模塊。繪圖界面由2個(gè)坐標(biāo)區(qū)和4個(gè)不可編輯數(shù)字文本框組成，所用到的組件有UIAxes和EditField。該頁(yè)面的啟動(dòng)函數(shù)被嵌入主界面“計(jì)算”按鈕的回調(diào)函數(shù)中，主要功能是將主界面中“數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算模塊”整理好的原始數(shù)據(jù)組繪制成壓入載荷-壓入深度曲線。同時(shí)，將計(jì)算得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)組按照本構(gòu)方程進(jìn)行擬合（本構(gòu)方程為σ＝Kεn），并得到K值和n值。最后，擬合好的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。用戶在使用時(shí)將數(shù)據(jù)輸入平臺(tái)后點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，該界面會(huì)自動(dòng)調(diào)出并繪制出圖像，同時(shí)將計(jì)算出來的K值、n值、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等數(shù)據(jù)傳入主頁(yè)面表格中保存起來，供用戶將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

圖9 連續(xù)球壓痕實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺(tái)的繪圖界面

5 平臺(tái)的測(cè)試驗(yàn)證

通過APP設(shè)計(jì)工具將文件zhuyemian.mlapp，biaoge.mlapp，huitu.mlapp打包成可以在Matlab-APP中安裝的.exe安裝包，共享文件后可在用戶計(jì)算機(jī)Matlab中完成安裝并使用此APP。

利用應(yīng)用平臺(tái)對(duì)壓痕儀器獲得的12Cr1MoV材料載荷-深度曲線進(jìn)行取點(diǎn)運(yùn)算，已知壓頭直徑為0.5 mm，壓頭彈性模量為710 GPa，試樣彈性模量為214 GPa。計(jì)算示例如圖10所示，理論推導(dǎo)得到的拉伸強(qiáng)度為458 MPa、屈服強(qiáng)度為297 MPa；經(jīng)驗(yàn)換算得到的拉伸強(qiáng)度為462 MPa、屈服強(qiáng)度為349 MPa。多次數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度結(jié)果相對(duì)較穩(wěn)定，兩種算法獲取的抗拉強(qiáng)度吻合良好，屈服強(qiáng)度存在約15%的相對(duì)誤差。這主要與塑性直徑dp的計(jì)算差異有關(guān)，需要以后開展進(jìn)一步的研究。

6 結(jié) 語

基于Matlab／APP設(shè)計(jì)工具開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)，利用壓痕儀器獲得的載荷-深度曲線中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行真應(yīng)力、真應(yīng)變、屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的運(yùn)算，大幅度節(jié)省了數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間，提高了研究效率。通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的長(zhǎng)期運(yùn)行與補(bǔ)充，本文所開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可再開發(fā)性強(qiáng)、操作人性化等優(yōu)點(diǎn)。