CN101726445A - 获取金属板应变率相关材料参数的方法及试件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了获取金属板应变率相关材料参数的方法，包括：将获取金属板应变率相关材料参数的测试试件置于测试台上，其中，测试试件具有适合进行高速拉伸试验的结构；使用测试台对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件进行动态拉伸，测试台的LVDT位移传感器和激光引伸计对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件在动态拉伸过程中的变形量进行测量，获得应变曲线、应力曲线和应变率曲线；计算真实应变曲线和真实应力曲线，以及真实应变率曲线，并对真实应变曲线、真实应力曲线和应变率区县进行曲线拟合，消除其中的动态效应；基于遗传算法，根据硬化模块、应变率效应模块、热效应模块计算获取所述测试试件的率相关材料模型参数。

Description

获取金属板应变率相关材料参数的方法及试件

技术领域

本发明涉及金属板材料模型参数测试领域，尤其涉及金属板应变率测试及率相关材料模型参数的确定方法。

背景技术

研究者很早就发现材料，比如金属材料变形过程中的率效应。材料变形越快其变形阻力越大。一般采用基于一维弹性波理论的霍金森杆冲击试验(SHPB)来研究材料中的应变率效应，获取率相关材料应力-应变关系。这种装置能够获取高应变率下(1000-4000s-1)的材料性能曲线。

金属板材，比如，钢板在汽车碰撞响应中应变率范围主要分布在1000s-1以内，也可以理解为比现有的常用测试具有更高的速度。在现有技术中，还没有通过高速拉伸试验来获取材料高速性能参数的相关技术存在。

发明内容

本发明提供基于高速拉伸试验获取材料在高速下的动态力学性能的技术。

根据本发明的一方面，提供一种适合于高速拉伸试验的获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，能在使用拉伸试验系统，比如测试台进行高速拉伸试验时有效抑制干扰对实验结果的影响。

本发明的实施例提供一种获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，包括第一夹持区、第一引导区、拉伸区、第二引导区、第二夹持区，其中，第一引导区短于第二引导区；拉伸区包括分别与第一引导区和第二引导区衔接的喇叭状过渡区以及位于喇叭状过渡区之间的条状区。

根据本发明的实施例，第一引导区和第一夹持区的长度之和小于第二引导区和第二夹持区的长度之和的四分之一。

根据本发明的实施例，第一夹持区和第一引导区的长度之和为75mm、第二引导区和第二夹持区的长度之和为350mm，第一夹持区、第一引导区、第二引导区、第二夹持区的宽度为30mm；拉伸区的喇叭状过渡区的最大宽度为30mm、最小宽度为10mm、外侧弧线的半径为20mm；条状区的长度为25mm、宽度为10mm。

根据本发明的另一方面，提供一种进行基于高速拉伸试验来确定金属板应变率相关材料参数获取方法。

本发明的实施例提供一种获取金属板应变率相关材料参数的方法，包括：

将获取金属板应变率相关材料参数的测试试件置于测试台上，其中，所述的测试试件具有上述的结构，测试台的力传感器连接到第一夹持区，而测试台的上夹头连接到第二夹持区；

使用测试台对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件进行动态拉伸，测试台的LVDT位移传感器和激光引伸计对所述的测试试件在动态拉伸过程中的变形量进行测量，获得应变曲线、应力曲线和应变率曲线；

确定应变曲线、应力曲线和应变率曲线中的拉伸起始时刻和拉伸结束时刻，得到所述的测试试件的工程应力曲线和工程应变曲线，继续从工程应力曲线和工程应变曲线中计算真实应变曲线和真实应力曲线，以及真实应变率曲线；对真实应变曲线、真实应力曲线和应变率区县进行曲线拟合，消除其中的动态效应；

基于遗传算法，根据硬化模块、应变率效应模块、热效应模块以及包辛格效应模块计算所述的测试试件的率相关材料模型。

根据本发明的实施例，测试台将两束激光束以一定的角度投射到获取金属板应变率相关材料参数的测试试件上，当投射部位移动时，激光引伸计检测投射部位的移动速度，得到所述的测试试件在高速变形时的应变数据。

根据本发明的实施例，消除动态效应时，等间隔的取50组的应力、应变、应变率数据，每组中数据对应相同的时刻；以及对于应力、应变、应变率数据中的高频部分，采用低通滤波器滤波，再使用多项式曲线进行拟合。

根据本发明的实施例，以实验数据和模型数据之间的差异为目标函数，通过优化算法使目标函数值逐渐减小，当其收敛到最小值时，目标函数的参数确定为所述率相关材料模型的参数。

根据本发明的实施例，确定率相关材料模型的参数包括：获得经过滤波处理的应力、应变和应变率数据；读取参数初始值，采用遗传算法确定出应变率相关材料模型的参数，其中，每100代检查一次目标函数值，如果检查值与前100代的检查值相等，则停止计算，并把出现目标值最小时对应的参数作为率相关材料模型的参数。

本发明中使用测试台对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件进行动态拉伸是对所述的测试试件进行高速拉伸。进行动态拉伸的初始拉伸速度包括：4m/s、7m/s、10m/s、14m/s、18m/s、20m/s的其中之一。

本发明提供了基于高速拉伸试验来进行金属板应变率测试的方法，可以获取金属板的应变率相关材料模型参数供工程应用。

附图说明

图1是本发明进行高速拉伸试验时使用的测试台的结构；

图2a和图2b是根据本发明的一实施例获取金属板应变率相关材料参数的测试试件的尺寸；

图3是同一种材料三个拉伸速度下的试验曲线；

图4a和图4b是通过高速拉伸试验获取的直接数据；

图5揭示了根据一具体应用对直接数据进行预处理流程图；

图6a、6b和6c是根据本发明对数据进行滤波和拟合的过程；

图7揭示了根据一具体应用获取率相关材料参数的流程图；

图8揭示了根据一具体应用，采用本发明的实施例得到的计算结果与真实试验结果的对比。

具体实施方式

高速拉伸试验测试台

本发明是基于高速拉伸试验来确定金属板应变率，图1揭示了本发明进行高速拉伸试验时使用的测试台的结构。参考图1所示，该测试台包括：工作台18，位于工作台18上的台架17，LVDT位移传感器110位于液压缸中。台架17中间设有开口，供连接到液压缸(图中未示出)的连接部件19通过，连接部件19的下端设置有上夹头11，上夹头11用于夹持获取金属板应变率相关材料参数的测试试件13的一端，上夹头11外侧安装有滑块12，用于在达到测试速度时加紧上夹头11，使得上夹头11夹紧试件13进行拉伸试验。试件13的另一端由下夹头15夹持，并且，通过该下夹头15连接到力传感器16上。激光引伸计14用于测量试件13上被激光投射部位的移动速度。

该测试台也被用于进行金属板应变率的常规拉伸试验，即相对较低速的拉伸试验。本发明主要讨论进行高速拉伸试验的情况，高速拉伸测试的基本过程与常规拉伸接近，都是：下夹头15夹住试件13的一端，上夹头11为活动夹头，上夹头11在开始试验之后加速运动，直到上夹头11达到设定的初始拉伸速度后速度不再增加，当上夹头11到指定位置时滑块12使上夹头11夹紧，于是，上夹头11夹紧试件13。开始对试件13进行拉什测试。典型的初始拉伸速度为0.15m/s、1m/s、4m/s、7m/s、10m/s、4m/s、18m/s、20m/s等，其中，大于1m/s的可以视为是高速拉伸试验。在试件13开始拉伸试验后，测试台中的LVDT位移传感器110测量上夹头11的位移，而激光引伸计14测量试件13上固定点的位移，试件13上的两个固定点分别在标距(参考图2a和图2b)上，位于标距两端的中部，分别由激光点锁定。力传感器16测量试件13在变形过程中的拉力，力传感器16位于下夹头15的下方。通过采样间隔与采样点数，可以确定各数据的相对时间。

与常规拉伸(较低速的拉伸)试验的比较，高速拉伸试验存在一些特殊的问题，首先遇到的第一个问题就是实验过程中力传感器信号的震荡，力传感器信号的震荡是由于其通过下夹头所连接的试件的引导部分的抖动所引起的，因此，通过合理的试件结构的设计，可以有效地减弱力传感器信号的震荡。

获取金属板应变率相关材料参数的测试试件

参考图2a和图2b所示，本发明设计了一种获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，包括第一夹持区21、第一引导区22、拉伸区23、第二引导区24和第二夹持区25。其中的第一引导区22短于第二引导区24。具有较短的长度的第一引导区22能够有效减弱实验过程中力传感器信号的震荡。

继续参考图2a和图2b所示，拉伸区23包括分别与第一引导区22和第二引导区24衔接的喇叭状过渡区231、232以及位于喇叭状过渡区231、232之间的条状区233。

在具体的设计中，第一引导区22的长度小于第二引导区24的长度四分之一。根据一个具体实例，第一夹持区和第一引导区的长度之和为75mm、第二引导区和第二夹持区的长度之和为350mm，第一夹持区、第一引导区、第二引导区、第二夹持区的宽度为30mm。拉伸区的喇叭状过渡区的最大宽度为30mm、最小宽度为10mm、外侧弧线的半径为20mm。而条状区的长度为25mm、宽度为10mm。更加宽泛的范围，第一引导区和第一夹持区的长度之和小于第二引导区和第二夹持区的长度之和的四分之一。

高速拉伸试验还存在弹性波动的问题。当拉伸设定的速度超过1m/s时，时间与力的曲线就存在波动。参考图3所示，图3中是不同速度下的时间与力曲线，包括了7m/s、14m/s以及18m/s的情况，拉伸速度越高，动态效应越明显。在高速拉伸时试验中动态效应非常明显，而用于高速拉伸时试验的试件中与上夹头相连的引导区(图2a中的第二引导区)比较长，更加加重了动态效应的影响。如果不消除数据中的动态效应影响，这些右侧是台所获取的数据不能直接在工程中应用。图4a、4b是在四个不同初始拉伸速度下简单处理获取(由测试台直接获取)的真实应力应变曲线和真实应变应变率曲线。从这些数据可看出，速度越高时数据点的振荡越大，系统的动态效应越明显。

获取金属板应变率相关材料参数的方法

本发明进而提出一种获取金属板应变率相关材料参数的方法，使用了上述的测试台和获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，并且进一步地通过后续地处理消除动态效应。该方法包括下述的过程：

将所述的测试试件置于测试台上，其中，获取金属板应变率相关材料参数的测试试件具有前述的结构，测试台的力传感器连接到第一夹持区，而测试台的上夹头连接到第二夹持区。

使用测试台对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件进行动态拉伸，测试台的LVDT位移传感器和激光引伸计对所述的测试试件在动态拉伸过程中的变形量进行测量，获得应变曲线、应力曲线和应变率曲线。测试台将两束激光束以一定的角度投射到获取金属板应变率相关材料参数的测试试件上，当投射部位移动时，通过激光引伸计检测投射部位的位移，得到所述的测试试件在高速变形时的应变数据。该测量过程为非接触式，安全实用。

确定应变曲线、应力曲线和应变率曲线中的拉伸起始时刻和拉伸结束时刻，得到获取金属板应变率相关材料参数的测试试件的工程应力曲线和工程应变曲线，继续从工程应力曲线和工程应变曲线中计算真实应变曲线和真实应力曲线，以及真实应变率曲线；对真实应变曲线、真实应力曲线和应变率区县进行曲线拟合，消除其中的动态效应。在消除动态效应时，等间隔的取50组的应力、应变、应变率数据，每组中数据对应相同的时刻；以及对于应力、应变、应变率数据中的高频部分，采用低通滤波器滤波，再使用多项式曲线进行拟合。采用多项式曲线进行拟合，可较好的去除模型中的动态效应。常用的三次多项式见公式(1)。

y＝a₃*x³+a₂*x²+a₁*x+a₀    (1)

其中，a₃，a₂，a₁，a₀是拟合参数。这里，x代表应变，y代表对于应变x的应力。这些参数采用遗传算法求解。

图5揭示了根据一具体应用对直接数据进行预处理流程图，截至到上述步骤的过程与图5中所示的预处理过程相对应。而图6a、6b和6c是根据本发明对数据进行滤波和拟合的过程。

本发明继续执行如下：

基于遗传算法，根据硬化模块、应变率效应模块、热效应模块以及包辛格效应模块计算所述的测试试件的率相关材料模型。在获得了上述的数据之后，进而采用数学方法获得率相关材料模型参数。通过多组试验数据与计算结果的拟合，基于遗传算法进行计算获取率相关材料模型参数。反映应变率效应的材料模型这里简称为“率相关材料模型”。率相关材料模型一般由下面几部分构成：硬化模块、应变率效应模块、热效应模块等等。例如式(2)为典型应变率相关模型。其中A、B、n为硬化效应部分参数，C为率效应，m为热效应参数，σ为应力，ε为应变，

应变率，T为环境温度。

$\mathrm{\σ}=(A+B{\mathrm{\ϵ}}^n)(1+C\ln \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})(1-T^m)---\left(2\right)$

率相关材料模型的本质是一个数学模型，需要获取其中的参数，使采用这些表达式的计算结果尽可能的与试验数据相吻合。本发明以实验曲线和模型曲线之间的差异为目标函数(见式(3))，通过优化算法使目标函数值逐渐减小，当其收敛到最小值时的设计参数，就可作为率相关材料模型的参数。把出现目标值最小时对应的参数作为函数处理结果。具体方法：获得经过滤波处理的应力、应变和应变率数据；读取参数初始值，采用遗传算法确定出应变率相关材料模型的参数，其中，每100代检查一次目标函数值，如果检查值与前100代的检查值相等，则停止计算，并把出现目标值最小时对应的参数作为率相关材料模型的参数。

$F=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\exp }^i-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cal}}^i}{{\mathrm{\σ}}_{\exp }^i}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中，

F为目标值；

σ_exp ⁱ为第i个试验结果；

σ_cal ⁱ为第i个计算结果。

参考图7所示，揭示了根据一具体应用获取率相关材料参数的流程图，与上面描述的过程相对应。而图8揭示了根据一具体应用，采用本发明的实施例得到的计算结果与真实试验结果的对比。

本发明提供了基于高速拉伸试验来进行金属板应变率测试的方法，可以获取金属板的应变率相关材料模型参数供工程应用。

Claims (10)

1.一种获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，其特征在于，包括第一夹持区、第一引导区、拉伸区、第二引导区、第二夹持区，其中，

所述第一引导区短于第二引导区；

所述拉伸区包括分别与所述第一引导区和第二引导区衔接的喇叭状过渡区以及位于喇叭状过渡区之间的条状区。

2.如权利要求1所述的获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，其特征在于，所述第一引导区和第一夹持区的长度之和小于第二引导区和第二夹持区的长度之和的四分之一。

3.如权利要求2所述的获取金属板应变率相关材料参数的测试试件，其特征在于，所述第一夹持区和第一引导区的长度之和为75mm、第二引导区和第二夹持区的长度之和为350mm，第一夹持区、第一引导区、第二引导区、第二夹持区的宽度为30mm；

所述拉伸区的喇叭状过渡区的最大宽度为30mm、最小宽度为10mm、外侧弧线的半径为20mm；

所述条状区的长度为25mm、宽度为10mm。

4.一种获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，包括：

将获取金属板应变率相关材料参数的测试试件置于测试台上，其中，所述测试试件具有如权利要求1所述的结构，其中，测试台的力传感器连接到第一夹持区，而测试台的上夹头连接到第二夹持区；

使用所述测试台对获取金属板应变率相关材料参数的测试试件进行动态拉伸，测试台的LVDT位移传感器和激光引伸计对所述的测试试件在动态拉伸过程中的变形量进行测量，获得应变曲线、应力曲线和应变率曲线；

确定所述应变曲线、应力曲线和应变率曲线中的拉伸起始时刻和拉伸结束时刻，得到所述的测试试件的工程应力曲线和工程应变曲线，继续从所述工程应力曲线和工程应变曲线中计算真实应变曲线和真实应力曲线，以及真实应变率曲线；对真实应变曲线、真实应力曲线和应变率区县进行曲线拟合，消除其中的动态效应；

基于遗传算法，根据硬化模块、应变率效应模块、热效应模块以及包辛格效应模块计算所述的测试试件的率相关材料模型。

5.如权利要求4所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，所述测试台将两束激光束以一定的角度投射到所述的测试试件上，当投射部位移动时，通过激光引伸计检测投射部位的位移，得到所述的测试试件在高速变形时的应变数据。

6.如权利要求4所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，消除动态效应时，等间隔的取50组的应力、应变、应变率数据，每组中数据对应相同的时刻；以及

对于应力、应变、应变率数据中的高频部分，采用低通滤波器滤波，再使用多项式曲线进行拟合。

7.如权利要求6所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，以实验数据和模型数据之间的差异为目标函数，通过优化算法使目标函数值逐渐减小，当其收敛到最小值时，目标函数的参数确定为所述率相关材料模型的参数。

8.如权利要求7所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，确定率相关材料模型的参数包括：

获得经过滤波处理的应力、应变和应变率数据；

读取参数初始值，采用遗传算法确定出应变率相关材料模型的参数，其中，每100代检查一次目标函数值，如果检查值与前100代的检查值相等，则停止计算，并把出现目标值最小时对应的参数作为率相关材料模型的参数。

9.如权利要求4所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，使用所述测试台对所述的测试试件进行动态拉伸是对该测试试件进行高速拉伸。

10.如权利要求9所述的获取金属板应变率相关材料参数的方法，其特征在于，使用所述测试台对所述的测试试件进行动态拉伸的初始拉伸速度包括：4m/s、7m/s、10m/s、14m/s、18m/s、20m/s的其中之一。

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