CN108170946A - 一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法 - Google Patents

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魏宇杰
王尧
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Abstract

本发明提供一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法，以指导实际压扁试验的进行。首先，通过试验与数值计算相结合的方法对GTN模型的九个参数进行标定。其后，利用ABAQUS软件针对采用不同压扁器具以及不同尺寸试样的压扁试验进行有限元模拟，通过分析数值试验结果，确定可使材料出现稳定破坏的试样几何参数范围，从而指导压扁试验的相关设计。

Description

一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法
技术领域
本发明涉及塑性力学领域，特别是涉及一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法。
背景技术
作为延展性测试的一种类型，针对管材试件、罐体、或气瓶的压扁试验能够测试金属管状结构塑性变形的能力、评价管状结构的初始质量，此法现已广泛的应用在管材研究的相关领域。迄今为止，国际标准化组织相关委员会针对压扁试验制定了相关的试验标准(ISO/FDIS 8492(2013))，简要阐述了试验过程的相关流程并规定了试验过程中的几个关键几何参数。然而就目前掌握的资料而言，针对压扁试验的有效信息的系统性文件不足；与此同时，基于工程实践的可操作性和经济效益的考虑，试验过程可能无法满足压扁试验标准所列出的所有要求；此外，失效方式和失效模式也可能由于试件的材料特性与几何差异而产生不同。上述诸多因素使压扁试验的数值化变得极为必要。
发明内容
本发明是针对用以检测管状材料塑性变形性能的压扁试验存在的现实问题，提出了一种基于有限元的压扁数值试验测试方法。可通过有限元数值模拟来获得选定管状材料在压头及压板压扁试验所表现出的变形性能，为实际过程中压扁试验的开展与评定提供有效的指导。
本发明的技术方案为：一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法，包括利用逆向有限元法进行材料本构模型参数的标定、利用标定的参数进行压扁数值试验及针对特定材料总结出压扁试验指导策略两个步骤：
逆向有限元法进行材料本构模型参数的标定：
通过试验和数值方法相结合的手段进行材料参数的相关标定：确定Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型描述管状材料力学性能，此模型包含9个参数：GTN模型修正系数q1、q2、q3；初始孔洞体积分数fO；孔洞成核参数：材料平均成核应变εN、成核标准差SN、成核孔洞体积分数fN；孔洞急剧聚合时的临界体积分数fC；破坏时孔洞体积分数人；
具体操作步骤为：首先结合压扁试验的试验对象，确定研究材料并制成标准试样，通过单向拉伸试验法确定材料的工程应力-应变曲线。然后，结合试样尺寸建立有限元模型，用内置GTN模型的ABAQUS有限元软件进行单向拉伸数值试验，通过调整GTN模型参数fO、fN、fC及fF，使数值试验所得到的工程应力-应变曲线与试验测得的材料应力-应变具备较好的一致性，此时对应的GTN模型参数即为所标定出的该材料的GTN本构模型参数；
利用标定材料参数进行压扁数值试验及针对特定材料给出压扁试验指导策略：
输入标定的GTN参数作为材料参数，由于压扁试验主要考虑的管材两端外表面的拉伸破坏，则上一步骤的标定材料GTN参数能够准确预测管材压扁试验过程中的破坏行为。根据ISO/FDIS 8492(2013)，利用ABAQUS有限元软件，针对不同长度与壁厚的管材试样进行建模，分别进行压头压扁数值试验和压板压扁数值试验。
针对特定材料总结出压扁试验指导策略：结合压扁数值试验的相关结果，分析并总结出试验材料出现稳定破坏时的几何参数范围，进而指导压扁试验的进行。
本发明的有益效果在于：本发明基于有限元法的压扁数值试验测试方法，可通过有限元压扁数值模拟获得选定管材在不同几何尺寸下的塑性变形性能，总结出试验材料出现稳定破坏时的几何参数范围，进一步指导压扁试验的实际过程。
附图说明
图1为本发明中采用的压扁数值试验压头尺寸的示意图；
图2为本发明中举例中的(a)狗骨单向拉伸试样；(b)试验测量的工程应力应变曲线与基于有限元计算得到的工程应力应变曲线；
图3为本发明举例的基于有限元计算得到的(压板与压头)压扁试验中试件壁厚与失效下压位移量曲线；
图4为本发明举例的基于有限元计算得到的压板压扁试验中试件长度与失效下压位移量曲线；
图5为本发明举例的基于有限元计算得到的压头压扁试验中试件长度与失效下压位移量曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施过程结合实例进行详细说明：
1、利用逆向有限元法进行材料本构模型参数的标定
本发明选取Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型来描述金属材料中广泛出现的韧性断裂过程。GTN模型包含9个待定参数，包含考虑孔洞互相作用影响的材料参数q1、q2、q3，表征孔洞长大过程的体积分数fO、fC及fF，以及描述孔洞形核的参数fN、εN、及SN。为了使用GTN模型进行压扁过程数值试验，首先需要通过试验与数值模拟相结合的方法标定模型中的若干参数，但目前对于GTN模型参数的确定没有一套被普遍认可的方法。为了更加合理地简化整个分析过程，通常情况下，q1、q2、q3三个参数通常是沿用Tvergaard所给出的推荐值，取q1＝1.25，q2＝1，对于低合金钢而言，大多数文献中孔洞形核参数εN＝0.3；形核标准差SN对于与计算结果的整体影响很小，这里取SN＝0.1；其余4个参数fO、fN、fC及fF的数值一般利用逆向有限元法，通过对比材料力学性能试验曲线与仿真曲线，不断对初始输入的数据进行调整，使得仿真曲线与试验取得较好的一致性，进而通过间接法确定材料参数的具体数值。上述4个参数皆可通过下述方法进行标定：
(1)对于一定材料的试样，选择一定的尺寸制作狗骨单向拉伸标准试样；
(2)利用工程试验机，通过单项拉伸的方法测定材料的工程应力-应变曲线，进而得到材料的真实应力-应变曲线；
(3)结合狗骨试样的实际尺寸，建立有限元模型，用内置GTN模型的ABAQUS软件进行数值试验，计算试样的工程应力-应变曲线；
(4)通过对比试验曲线与仿真曲线，调整GTN模型的四个待定参数fO、fN、fC及fF，当两条工程应力-应变曲线一致时，此时的参数组合即可认定为选定测试材料的GTN模型参数；
(5)需要特别指出的是，如有必要，GTN模型的9个参数也可通过上述方法进行标定，而对于某些特定材料如低合金钢，上述标定过程可以进行简化，但最终的标定结果以仿真计算出的工程应力-应变曲线与试验测得的应力-应变曲线一致为准。
2、利用标定材料参数进行压扁数值试验及针对特定材料给出压扁试验指导策略：
利用ABAQUS软件对标定的材料模型参数，进行不同几何尺寸的管材试样的压扁数值试验。压扁试验加载形式分别选取ISO/FDIS 8492(2013)中规定的压板压扁形式，以及在实际试验过程中较为常用的压头形式进行试验。相关加载作动器几何尺寸，压板宽度至少为试件外径的1.6倍，长度应大于试件长度；压头尺寸如图1所示。
数值试验完成之后，总结实验结果，得到考虑几何依赖性的选定材料压扁试验规律(关于压头/压板失效下压位移量)，进而形成较为成熟的指导实际压扁试验开展的参考性文件。
举例：
(1)选择典型韧性断裂X80管线钢作为对象，作为一种根据单向拉伸试验要求，制作单向拉伸狗骨试样，试样尺寸如图2.a所示。
(2)通过试验测定X80管线钢的单向拉伸工程应力-应变曲线，该材料的弹性模量为209700MPa，泊松比为0.3。
(3)针对狗骨单向拉伸试样，利用内置GTN模型的ABAQUS软件进行数值试验，模拟单向拉伸试验中的工程应力应变曲线。
(4)通过调节GTN模型的材料参数，使得数值试验所得到的应力应变曲线与试验测得的单向拉伸工程应力应变曲线一致，如图2.b所示。此时模型的材料参数，即为利用逆向有限元法标定的X80管线钢的GTN模型参数，所得X80管线钢的GTN材料参数如下表1所示。
(5)表1
材料 X80管线钢
q1 1.25
q2 1
q3 1.6525
εN 0.3
SN 0.1
fN 0.04
fO 0.0002
fC 0.045
fF 0.065
(6)基于下压装置的不同类型(包括压板和压头)，分别针对不同几何尺寸的管材试样进行数值试验。这里将管外半径作为固定值(200mm)，针对管状试样的壁厚(无量纲壁厚为壁厚值比外半径值)与长度(无量纲长度为长度值比外半径值)进行几何尺寸的参数化讨论。由数值试验的结果可以得到：
1)随着管壁厚度的逐渐增加，两种形式的作动器(包含压头与压板)的破坏下压位移量无明显差异，单调递减，如图3所示；
2)随着试件长度的增加，不同形式的作动器所带来的差异逐渐显现：压板形式的压扁试验，随着试件长度的增加，试件的破坏下压位移量先增加后减少，最后当试件长度大于1.2倍管材外半径时，破坏下压位移量逐渐收敛于一个稳定值，如图4所示。而对于压头形式的压扁试验而言，随着管材试样长度的增加，破坏下压呈现出先上升后减少之后再上升的规律，如图5所示，破坏下压位移量最终收敛于试样的长度大于四倍管材外半径(200mm)时。
3)由上述数值试验结果可以得到指导的实际压扁试验的参考性文件，针对X80管线钢，若要得到稳定可靠的压扁试验试验结果，对于压板压扁试验而言，试件长度至少为管材试样外半径的1.2倍；对压头压扁试验而言，试件长度至少为管材试样外半径的4倍。

Claims (3)

1.一种基于有限元法的压扁数值试验测试方法，其特征在于，包括利用逆向有限元法进行材料本构模型参数的标定、利用标定的参数进行压扁数值试验及针对特定材料总结出压扁试验指导策略两个步骤，逆向有限元法进行材料本构模型参数的标定：
1)通过试验和数值方法相结合的手段进行材料参数的相关标定：确定Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型描述管状材料的力学性能，此模型包含9个参数：GTN模型修正系数q1、q2、q3；初始孔洞体积分数f0；孔洞成核参数：材料平均成核应变εN、成核标准差SN、成核孔洞体积分数fN；孔洞急剧聚合时的临界体积分数fC；破坏时孔洞体积分数fF；
2)具体操作步骤为：首先结合压扁试验的试验对象，确定研究材料并制成标准试样，通过单向拉伸试验法确定材料的工程应力-应变曲线。然后，结合试样尺寸建立有限元模型，用内置GTN模型的ABAQUS有限元软件进行单向拉伸数值试验，通过调整GTN模型参数f0、fN、fC及fF，使数值试验所得到的工程应力-应变曲线与试验测得的材料应力-应变具备较好的一致性，此时对应的GTN模型参数即为所标定出的该材料的GTN本构模型参数；
利用标定的材料参数进行压扁数值试验及针对特定材料总结出压扁试验指导策略：
1)根据ISO/FDIS 8492(2013)，利用ABAQUS有限元软件，针对不同长度与壁厚的管材试样进行建模，将分别进行压板压扁试验和压头压扁试验，
2)针对特定材料总结出压扁试验指导策略：结合压扁数值试验的相关结果，分析并总结出试验材料出现稳定破坏时的几何参数范围，进而指导压扁试验的进行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述金属材料为无明显屈服点的具备较好延性的金属材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述压扁数值试验包含压板参与的压扁数值试验和压头参与的压扁数值试验。
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