CN106777544A - 基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法 - Google Patents

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关凯书
许立萌
郭林灵
黄瑞彬
付明雪
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Abstract

本发明揭示了一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，所述方法包括：步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷‑位移曲线的变化规律；步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；根据步骤S13中得到的中心开有一定直径的圆孔的小冲杆试样，进行有限元模拟；并将不同摩擦系数下的模拟曲线和实验曲线进行对比，通过神经网络设置目标函数，定义满足某一目标函数时，二者最为接近，此时模拟曲线对应的摩擦系数即为实验中的摩擦系数。

Description

基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法
技术领域
本发明属于计算机辅助技术领域，涉及一种试验方法，尤其涉及一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法。
背景技术
长期工作在高温、高压、低温和辐照等苛刻环境下的承压设备，材料力学性能会发生劣化。为保证设备能够正常运行，不会引发安全事故，对劣化后的材料进行可靠地安全评估、寿命预测和对设备进行定期检验十分重要。与标准拉伸、冲击、断裂韧性试验相比，小冲杆试验由于其耗材少，微损取样从而不会破坏设备的结构完整性得到广泛关注且发展迅速。
随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程—CAE也逐渐渗透到各个领域。根据材料已有的相关参数，利用有限元数值模拟和仿真技术可以进行不同的仿真实验，构造庞大的数据库，重复用于相同类型的材料，大大削减了研究过程中的成本。对于未知参数的新材料，反向有限元预先构造出一个包含很多材料性能参数及其对应有限元模拟结果的数据库，然后利用人工神经网络从数据库中找出与试验结果相匹配的材料性能参数，并认为该组参数材料就是试样材料的属性。然后利用得到的材料参数进行其他实验的数值模拟从而得到我们所需要的数据或性能。有限元和反向有限元技术也被迅速引入到小冲杆试验研究中。
小冲杆试验过程中的摩擦系数是影响小冲杆载荷-位移曲线的一个重要参数，也是在利用有限元模型进行下一步仿真分析时所必要的参数。金属间接触的摩擦理论包括机械摩擦理论和金属材料塑性成形的摩擦理论。小冲杆试验的本质就是金属材料的塑性成型过程，可以借鉴金属材料塑性成型过程中的一些方法来求出小冲杆试验中的摩擦系数。但是小冲杆试样和夹具尺寸很小，现有的安装传感器从试验过程中直接测量与摩擦系数相关的参数的方法无法实现。故现在几乎尚未有测量小冲杆试验的摩擦系数的方法。鉴于摩擦的复杂性，即使在小冲杆测试技术发展的欧洲也没有关于摩擦系数的研究，研究中都不约而同的将摩擦系数假设为一个固定的值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，确定小冲杆试验过程中的摩擦系数后，能够更加准确的利用反向有限元技术和小冲杆试验确定新材料的参数，进而利用有限元法获得较为可靠的断裂韧性，拉伸，蠕变性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
在小冲杆试验的有限元数值模拟中，影响小冲杆载荷-位移曲线的主要因素有：真应力-应变曲线、摩擦系数、GTN模型参数；如果要利用小冲杆载荷-位移曲线逆向求得真应力-应变曲线，必须保证两者之间具有唯一的对应关系，即小冲杆载荷-位移曲线不能够受到摩擦系数和GTN模型参数的影响；通过调整摩擦系数大小来确定其对小冲杆位移载荷曲线的影响；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
摩擦系数与接触压力之间是存在联系；小冲杆试验过程中钢珠与试样的接触压力很难通过实验的方法获得，只能使用数值模拟的方法对其进行研究；在ANSYS中建立和上一步相同的有限元模型，参数也同上一步，提取每一个载荷步的所有接触单元的接触压力并提取平均值；对结果进行分析，总结出平均接触压力的规律；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
步骤S11、S12中的分析结果提供小冲杆试验中摩擦系数对载荷-位移曲线的影响情况，并得到在不同试样变形下钢珠与试样的接触压力；在不改变夹具和加载系统的情况下，对试验摩擦系数测量系统进行合理设计；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中设计的测量系统，在有限元中建立有限元模型，反复调整摩擦系数的值，得到不同的模拟曲线；通过神经网络，设置一个目标函数，当模拟曲线和试验曲线满足目标函数时，认为二者最为接近；此时的模拟中设置的摩擦系数与实验中的一致；
步骤S2：进行断裂韧性模拟。
一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
根据步骤S11,步骤S12得到的结果设计了中心开孔的小冲杆试样，且通过调整试样中心孔的直径来调整钢珠和试样接触压力的大小，最终确定了孔径；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中得到的中心开有一定直径的圆孔的小冲杆试样，进行有限元模拟；并将不同摩擦系数下的模拟曲线和实验曲线进行对比，通过神经网络设置目标函数，定义满足某一目标函数时，二者最为接近，此时模拟曲线对应的摩擦系数即为实验中的摩擦系数。
作为本发明的一种优选方案，所述方法还包括步骤S2：进行断裂韧性模拟。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S11中，在小冲杆试验的有限元数值模拟中，影响小冲杆载荷-位移曲线的主要因素有：真应力-应变曲线、摩擦系数、GTN模型参数；如果要利用小冲杆载荷-位移曲线逆向求得真应力-应变曲线，必须保证两者之间具有唯一的对应关系，即小冲杆载荷-位移曲线不能够受到摩擦系数和GTN模型参数的影响；通过调整摩擦系数大小来确定其对小冲杆位移载荷曲线的影响。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S12中，摩擦系数与接触压力之间是存在联系；小冲杆试验过程中钢珠与试样的接触压力很难通过实验的方法获得，只能使用数值模拟的方法对其进行研究；在ANSYS中建立和上一步相同的有限元模型，参数也同上一步，提取每一个载荷步的所有接触单元的接触压力并提取平均值；对结果进行分析，总结出平均接触压力的规律。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S13、S14之间还包括：证明开孔载荷-位移曲线与GTN模型参数的无关性；
钢珠在于试样接触时，试样会在一定区域内发生塑性变形，可能会造成材料的损伤；如果要从所设计的系统求得摩擦系数，那必须证明得到的载荷-位移曲线与GTN模型参数的无关性。
本发明的有益效果在于：本发明提出的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，可以用来科学的合理的确定小冲杆试验过程中的摩擦系数，能够更加准确的利用反向有限元技术和小冲杆试验确定新材料的参数，进而利用有限元法获得较为可靠的断裂韧性，拉伸，蠕变性能。
附图说明
图1为不同摩擦系数对曲线的影响示意图。
图2为平均接触压力曲线图。
图3为开孔小冲杆试样示意图。
图4为加入GTN模型前后模拟曲线的对比图。
图5为不同摩擦系数下的模拟曲线图。
图6为模拟与实验曲线的对比图。
图7为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1至图7，本发明揭示了一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
在小冲杆试验的有限元数值模拟中，影响小冲杆载荷-位移曲线的主要因素有：真应力-应变曲线、摩擦系数、GTN模型参数；如果要利用小冲杆载荷-位移曲线逆向求得真应力-应变曲线，必须保证两者之间具有唯一的对应关系，即小冲杆载荷-位移曲线不能够受到摩擦系数和GTN模型参数的影响；通过调整摩擦系数大小来确定其对小冲杆位移载荷曲线的影响；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
摩擦系数与接触压力之间是存在联系；小冲杆试验过程中钢珠与试样的接触压力很难通过实验的方法获得，只能使用数值模拟的方法对其进行研究；在ANSYS中建立和上一步相同的有限元模型，参数也同上一步，提取每一个载荷步的所有接触单元的接触压力并提取平均值；对结果进行分析，总结出平均接触压力的规律；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
步骤S11、S12中的分析结果提供小冲杆试验中摩擦系数对载荷-位移曲线的影响情况，并得到在不同试样变形下钢珠与试样的接触压力；在不改变夹具和加载系统的情况下，对试验摩擦系数测量系统进行合理设计；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中设计的测量系统，在有限元中建立有限元模型，反复调整摩擦系数的值，得到不同的模拟曲线；通过神经网络，设置一个目标函数，当模拟曲线和试验曲线满足目标函数时，认为二者最为接近；此时的模拟中设置的摩擦系数与实验中的一致；
步骤S2：进行断裂韧性模拟。
实施例二
一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
根据步骤S11,步骤S12得到的结果设计了中心开孔的小冲杆试样，且通过调整试样中心孔的直径来调整钢珠和试样接触压力的大小，最终确定了孔径；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中得到的中心开有一定直径的圆孔的小冲杆试样，进行有限元模拟；并将不同摩擦系数下的模拟曲线和实验曲线进行对比，通过神经网络设置目标函数，定义满足某一目标函数时，二者最为接近，此时模拟曲线对应的摩擦系数即为实验中的摩擦系数。
综上所述，本发明提出的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，可以用来科学的合理的确定小冲杆试验过程中的摩擦系数，能够更加准确的利用反向有限元技术和小冲杆试验确定新材料的参数，进而利用有限元法获得较为可靠的断裂韧性，拉伸，蠕变性能。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
在小冲杆试验的有限元数值模拟中，影响小冲杆载荷-位移曲线的主要因素有：真应力-应变曲线、摩擦系数、GTN模型参数；如果要利用小冲杆载荷-位移曲线逆向求得真应力-应变曲线，必须保证两者之间具有唯一的对应关系，即小冲杆载荷-位移曲线不能够受到摩擦系数和GTN模型参数的影响；通过调整摩擦系数大小来确定其对小冲杆位移载荷曲线的影响；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
摩擦系数与接触压力之间是存在联系；小冲杆试验过程中钢珠与试样的接触压力很难通过实验的方法获得，只能使用数值模拟的方法对其进行研究；在ANSYS中建立和上一步相同的有限元模型，参数也同上一步，提取每一个载荷步的所有接触单元的接触压力并提取平均值；对结果进行分析，总结出平均接触压力的规律；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
步骤S11、S12中的分析结果提供小冲杆试验中摩擦系数对载荷-位移曲线的影响情况，并得到在不同试样变形下钢珠与试样的接触压力；在不改变夹具和加载系统的情况下，对试验摩擦系数测量系统进行合理设计；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中设计的测量系统，在有限元中建立有限元模型，反复调整摩擦系数的值，得到不同的模拟曲线；通过神经网络，设置一个目标函数，当模拟曲线和试验曲线满足目标函数时，认为二者最为接近；此时的模拟中设置的摩擦系数与实验中的一致；
步骤S2：进行断裂韧性模拟。
2.一种基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，应用于有限元模拟小冲杆试验获得材料的参数，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：确定试验摩擦系数；具体包括：
-步骤S11：确定摩擦系数变化时小冲杆载荷-位移曲线的变化规律；
-步骤S12：小冲杆试验接触压力的规律分析；
-步骤S13：小冲杆试验摩擦系数测量系统的设计；
根据步骤S11,步骤S12得到的结果设计了中心开孔的小冲杆试样，且通过调整试样中心孔的直径来调整钢珠和试样接触压力的大小，最终确定了孔径；
-步骤S14：小冲杆试验摩擦系数的测量；
根据步骤S13中得到的中心开有一定直径的圆孔的小冲杆试样，进行有限元模拟；并将不同摩擦系数下的模拟曲线和实验曲线进行对比，通过神经网络设置目标函数，定义满足某一目标函数时，二者最为接近，此时模拟曲线对应的摩擦系数即为实验中的摩擦系数。
3.根据权利要求2所述的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，其特征在于：
所述方法还包括：步骤S2、进行断裂韧性模拟。
4.根据权利要求2所述的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，其特征在于：
所述步骤S11中，在小冲杆试验的有限元数值模拟中，影响小冲杆载荷-位移曲线的主要因素有：真应力-应变曲线、摩擦系数、GTN模型参数；如果要利用小冲杆载荷-位移曲线逆向求得真应力-应变曲线，必须保证两者之间具有唯一的对应关系，即小冲杆载荷-位移曲线不能够受到摩擦系数和GTN模型参数的影响；通过调整摩擦系数大小来确定其对小冲杆位移载荷曲线的影响。
5.根据权利要求2所述的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，其特征在于：
所述步骤S12中，摩擦系数与接触压力之间是存在联系；小冲杆试验过程中钢珠与试样的接触压力很难通过实验的方法获得，只能使用数值模拟的方法对其进行研究；在ANSYS中建立和上一步相同的有限元模型，参数也同上一步，提取每一个载荷步的所有接触单元的接触压力并提取平均值；对结果进行分析，总结出平均接触压力的规律。
6.根据权利要求2所述的基于反向有限元法小冲杆试验摩擦系数确定方法，其特征在于：
所述步骤S13、S14之间还包括：证明开孔载荷-位移曲线与GTN模型参数的无关性；
钢珠在于试样接触时，试样会在一定区域内发生塑性变形，可能会造成材料的损伤；如果要从所设计的系统求得摩擦系数，那必须证明得到的载荷-位移曲线与GTN模型参数的无关性。
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