CN110501224B - 一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，具体涉及单轴拉伸材料DIC试验及数据输出、计算并绘制真实应力应变曲线、获取全历程真实应力应变曲线和局部延伸率。本发明通过对单轴拉伸试验制定详细的技术流程，提出明确的技术要求——在试件宽度方向布置的网格数量为两倍宽度，保证了在物理意义上取到1.0mm整数标距，实现了本发明的技术目标——获取材料全历程真实应力应变曲线和局部延伸率，扫除了在实际工程应用上的认知障碍、技术障碍和效果障碍，为其规模化的工程应用铺平了道路，因此，本发明具有重要的理论与工程实践意义。

Description

一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法
技术领域
本发明涉及一种测定材料真实应力应变的试验与计算方法，尤其是涉及测定材料的全历程真实应力应变曲线和局部延伸率。
背景技术
材料单轴拉伸试验的目的是测量材料的真实应力应变曲线或硬化曲线及其相关力学性能参数，如屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率等，在国际上，单轴拉伸试验标准主要有三个：美国的ASTM标准，试件的标距为50mm或2.0inch，宽度为12.5mm或0.5inch；欧盟的DIN标准，试件的标距为80mm，宽度为20mm；日本的JIS标准，试件的标距为50mm，宽度为25mm。
按照当前的单轴拉伸试验标准，试验数据的处理均只针对拉伸试件在均匀颈缩段的测量数据，由于局部颈缩段的测量数据，一般被认为已经不满足简单应力应变状态或均匀变形条件，在数据处理过程中被舍弃掉。在实际的工程问题中，面对的是大量的材料大变形问题，表明材料进入了局部颈缩阶段，如冲压成形、碰撞折弯压溃等，因而，在理论认识水平和测试技术手段被客观限制的条件下，只能采用基于外推法假设延长材料的真实应力应变关系，目前，至少存在五种典型的材料硬化模型。
由于材料大变形条件下的本构关系采用外推方法，曲线默认延长长度的真实应变等于1.0，若要确定外推曲线的终点，即材料的失效状态，则需要引入材料失效模型以判断材料失效，典型的材料失效模型至少包括11种。
那么，材料在局部颈缩段的真实应力应变关系是否可以通过试验测量并计算得到呢？从文献中找到了与外推法完全相反的技术路线。
本申请的发明人曾于2010年提出了一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，以得到同一试件、同一材料在不同标距下的真实应力应曲线，参考文献[1]——肖锋，一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，专利号201010501697.2。
L.X.Yang等通过数字图像相关法(Digital Image Correlation Method，简称DIC)，得到了同一试件、同一材料在不同标距下的真实应力应曲线，得到了许多在传统单轴拉伸试验中不能得到的新结论，参考文献[2]——L.X Yang et al,Measure StrainDistribution Using Digital Image Correlation(DIC)for Tensile Tests。
文献[1]和文献[2]的新研究工作具有重大的方法论意义，证明了单轴拉伸试件局部颈缩段的应力应变关系是可测量的。在传统单轴拉伸试验中，对“局部颈缩段的应力应变关系是不可测量的”传统认知提出了挑战，然而，面向实际的工程应用，文献[1]和文献[2]的新试验方法存在明显不足。
文献[1]提出了一种单轴拉伸试验的数据测量和计算方法，其最重要的技术创新点是将标距或参考长度，即从1.0mm到50mm的所有整数，作为一个变量引入到了单轴拉伸试验与数据处理之中。然而，在此方法的第二步中，对“测量试验过程中试样在不同变形状态下的两标示点之间的距离”并没有给出明确的测量方法。在传统的单轴拉伸试验中，测量位移采用的是纵向引伸计，在同一个试件上，一般只能使用一个纵向引伸计，即只能得到一个标距下的测量数据，达不到试验目的；若采用多个试样进行试验，分别测量不同标距下的位移数据，又会将试验复杂化且试验成本高。同时，该方法对初始断裂点的确定引入了判断条件，因此，在没有新测量技术引入的情况下，文献[1]的方法在实际的单轴拉伸试验中难以具备可操作性。
文献[2]将DIC测试技术引入到了单轴拉伸试验中，DIC测试技术作为一种有效的技术手段成功的实现了文献[1]中“测量试验过程中试样在不同变形状态下的两标示点之间的距离”的技术要求，并给出了五个标距(1.5mm、3.0mm、6.0mm、12.5mm和20mm)下的真实应力应变曲线。然而，文献[2]采用的是ASTM标准的试件，标距为50mm，宽度为12.5mm，在DIC系统中，在试件宽度方向上布置的网格数量是10个，为了保证初始断裂点在标距的正中间，实际可测量的标距应为2.5mm、5.0mm、7.5mm、10mm、12.5mm等，最小的整数标距为5.0mm，因此，按照文献[2]的方法不能得到1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线。同时，测量点的选择具有随意性，不是严格在中轴线上选取，影响数据处理精度，且不同标距下的真实应力应变曲线没有明确的物理对象与之对应，对试验结果无法给出物理意义上或理论上的解释，会严重影响其在工程上的应用推广。
在材料成形领域，随着先进高强钢在汽车车身应用的比例和强度均越来越高，出现了许多新问题，其中，一个普遍的现象是先进高强钢更容易出现翻边扩孔开裂。由于传统的FLC曲线不包含针对此失效现象的评价标准，因此，零件的冲压成形仿真无法对此进行预测，但也形成了一个基本共识：先进高强钢的翻边扩孔开裂现象与其材料扩孔率存在高度相关性，因而，材料扩孔率成了研究翻边扩孔开裂的一个重要切入点。
然而，在实现对材料翻边扩孔性能评价的同时，扩孔率评价指标也存在明显不足，一方面，试验条件和孔的加工方法对试验结果影响相当大；另一方面，扩孔率是定性指标而不是定量指标，无法为零件的冲压成形仿真提供指导，因此，另一个与翻边扩孔性能直接相关的、属于材料本构参数的重要概念——“局部延伸率(Local Elongation)”被重新引起了重视，借此形成了比较全面的对汽车车身用钢的材料成形理论的认知框架。
追溯局部延伸率概念的发展历史，日本学者的观点具有显著的前瞻性。在1993年，三村和弘等指出总延伸率与局部延伸率的关系——总延伸率较高，可能局部延伸率较低；局部延伸率较高，可能总延伸率较低。在1995年，Yamazaki等指出超高强钢的弯曲性能与总延伸率无关，而是与局部延伸率紧密相关。在2011年，Ishiguro等指出扩孔率和弯曲性能取决于局部延伸率。此外，在2005年，Stuart Keeler在代表国际钢协所做的报告中，也明确提到了材料的翻边、扩孔、弯曲性能与局部延伸率直接相关。但是，无论是在学术界还是工业界，如何测量材料的局部延伸率还没有可行的建议和成熟的测量方法。
本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：从DIC测试技术和达成试验目标的角度，采用当前各标准的标准试样，并不利于材料的单轴拉伸DIC试验，主要原因如下：
第一，采用美国的ASTM标准，试件标距为50mm，宽度为12.5mm，在DIC系统计算处理中，若要求在宽度方向布置两倍宽度数量的网格即25个，则无法保证在试件中轴线上布置测量节点，使得初始断裂点的选取会偏离试件中轴线，导致试验不严谨、不规范。
第二，采用欧盟的DIN标准，试件标距为80mm，宽度为20mm，在DIC试验中，由于DIC系统摄像头所能捕捉或锁定的计算区域是固定的，一方面，试件的初始断裂点发生位置是不可预测的，经常出现初始断裂点不在计算区域而导致试验失败；另一方面，试件的拉伸变形可能使得试件上初始的计算区域超出了摄像头锁定的计算区域，导致可覆盖的标距数量减少甚至不足。
第三，采用日本的JIS标准，试件标距为50mm，宽度为25mm，在DIC系统计算处理中，一般可以满足初始断裂点在计算区域内，但由于宽度较大，使得DIC系统需要计算的数据量增加，特别是处理图片较多的情况下，导致试验数据处理效率比较低，不利于单轴拉伸DIC试验的技术推广。
因此，由于现有技术中存在的各种不足，阻碍了其规模化的工程应用前景和技术推广，对现有的工程应用并没有产生实质性的有益效果，使得当前的现状依然停留于现有的单轴拉伸试验标准之中。
发明内容
本发明解决的技术问题
针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是：
第一，相比文献[1]的方法，将DIC测试技术引入到单轴拉伸试验当中，一方面，解决对“测量试验过程中试样在不同变形状态下的两标示点之间的距离”的技术实现问题；另一方面，取消确定初始断裂点的判断条件，而是直接的、客观的确定初始断裂点。
第二，相比文献[2]的方法，制定了详细的试验技术流程，提出了明确的试验技术要求——在试件宽度方向布置的网格数量为两倍宽度，且选取的初始断裂点位于试件的中轴线上且位于标距的正中间。
第三，相比采用各标准的标准试样，采用新的标准试件，将显著提高DIC试验的成功率并降低DIC系统的计算量，从而提升单轴拉伸DIC试验的效率。
第四，由于在单轴拉伸试验中引入DIC测试技术，从而取消了传统的引伸计，相比引伸计测量方法，DIC技术测量的位移具有更高的精度。
本发明通过解决以上技术问题，保证了在物理意义上从1.0mm标距下的真实应力应变曲线中，获取材料的全历程真实应力应变曲线和局部延伸率；保证了试验的严谨性、客观性、测量精度及较高的试验效率。
本发明的技术方案
为了实现本发明所要解决的技术问题的目的，本发明提供了一种测定材料真实应力应变的试验与计算方法，其步骤包括：
步骤一、单轴拉伸材料DIC试验，包括以下步骤：
第一步，按照单轴拉伸试验规范，制作单轴拉伸试验用的标准拉伸试件，并记录试件的厚度h0、宽度w0和初始截面积A0，然后，对试件一侧的表面喷漆；
第二步，将喷了漆的拉伸试件安装在单轴拉伸试验机上，在单轴拉伸试验机的控制系统中设置拉伸速度v0，将DIC系统的摄像头对准试件喷了漆的一侧，在DIC系统上设置摄像机的拍摄频率f0；
第三步，在调试完拉伸机控制系统和DIC系统之后，同时启动单轴拉伸试验机和DIC系统进行单轴拉伸DIC试验，直到试件被拉断，在试件拉伸过程中，拉伸试验机按照拍摄频率f0记录拉伸载荷F，摄像机按照拍摄频率f0记录试件的连续变形照片；
步骤二、单轴拉伸试件网格生成与计算，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，在处于初始状态的拉伸试件表面上，选取一个面积为L×W的计算区域，其中，L为长度，W为宽度；
第二步，在DIC系统中，设置网格生成控制参数，使得在计算区域宽度方向上生成的网格数量为2W；
第三步，在DIC系统中，根据生成的网格，DIC系统对试件的连续变形照片上对应的计算区域逐一进行计算，得到网格上节点的位移数据结果，对没有结果的节点，在DIC系统中进行插值计算，保存计算结果；
步骤三、单轴拉伸网格测量与节点命名，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，针对试件断裂前附近时刻的试件变形结果，在试件局部颈缩变形区域，确定处于或最接近最小截面处的一排节点，选取此排节点中位于试件中轴线上或最靠近中轴线的节点作为初始断裂点O，将其在DIC系统中进行命名；
第二步，在DIC系统中，针对试件上生成网格的初始状态，测量任意两个相邻节点之间的距离或网格尺寸l0并记录；
第三步，在DIC系统中，确定与初始断裂点O具有相同纵坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为长度；确定与初始断裂点O具有相同横坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为宽度；以试件厚度h0为高度，定义一个长·宽·高为2nl0·2nl0·h0的有限体A，将有限体A的长度2nl0定义为标距，其中，n＝1、2、3···s，并对有限体A上、与初始断裂点O具有相同纵坐标、且与其距离均为nl0的两节点，在DIC系统中进行命名；
步骤四、单轴拉伸DIC试验结果输出，包括以下步骤：
第一步，从DIC系统中，输出拉伸载荷F；
第二步，从DIC系统中，输出标距为2nl0的有限体A上、与初始断裂点O具有相同纵坐标、且与其距离均为nl0的两节点，在拉伸方向或Y方向的位移数据；
步骤五、根据以上步骤中记录的参数和输出的试验结果，以标距为2nl0的有限体A为对象，按照应力应变的标准定义，计算材料的真实应力和真实应变，并绘制材料在2nl0标距下的真实应力应变曲线；
步骤六、根据标距为2nl0的有限体A需满足均匀变形条件的技术要求，对试件断裂前的有限体A的变形逐一进行判断，将不满足均匀变形要求的真实应力应变数据进行删除，最终得到处理后的标距为2nl0的真实应力应变曲线。
进一步的，在步骤一第一步中，采用拉伸试件的标距为50mm、宽度为12mm，在试件一侧表面喷射哑光漆；在步骤二第一步中，选取试件的计算区域为50mm×12mm，在步骤二第二步中，在试件宽度方向上生成的网格数量为24个。
进一步的，在步骤三第一步中，初始断裂点O的选取方法是：在DIC系统中，以网格形式显示试件表面的变形状态，针对试件断裂前附近时刻的试件变形结果，在试件局部颈缩变形区域，确定处于或最接近最小截面处的一排节点；然后，将试件从当前状态回到初始状态，以计算区域50mm×12mm内的正中心Q为参考点，此排节点与参考点Q在拉伸方向的距离要求小于或等于20mm；最后，从此排节点中，选取位于试件中轴线上的节点作为初始断裂点O；在步骤三第二步中，在DIC系统中，针对试件上生成的网格的初始状态，以初始断裂点O为参照点，测量与其相邻四个节点中的任一节点的距离l0并记录。
进一步的，在步骤三第一步中，将初始断裂点O编码为“0”，并将其在DIC系统中命名为M0000；在步骤三第三步中，将有限体A上与初始断裂点O具有相同纵坐标且与其距离为nl0的两节点均编码为“n”，在DIC系统中，针对此两个节点，将位于初始断裂点O上方的节点，命名为“U0n00”，将位于初始断裂点O下方的节点，命名为“D0n00”。
进一步的，在步骤四中，对试验数据输出文件进行命名，具体是：从DIC系统中，输出拉伸载荷F的文件名为FORCE；输出名称为U0n00和D0n00的节点在拉伸方向或Y方向的位移数据，将文件分别命名为U0n00-Y和D0n00-Y。
优选的，在步骤五中，取n等于1，则有限体A的标距为1.0mm，计算并绘制1.0mm标距下的真实应力应变曲线，其步骤包括：
第一步，提取试件的网格尺寸l0、厚度h0、初始截面积A0，有限体A的长·宽·高为2l0·2l0·h0；
第二步，按下式计算每个时刻下的工程应力
Figure BDA0002182318680000061
Figure BDA0002182318680000062
其中，拉伸载荷F读取自文件FORCE；
第三步，计算每个时刻下的工程应变
Figure BDA0002182318680000063
包括以下步骤：
(1)按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的拉伸变形量Δl：
Δl＝|U0100_Y-D0100_Y| (2)
其中，U0100_Y为节点U0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件U0100-Y；D0100_Y为节点D0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件D0100-Y；
(2)按下式计算有限体A拉伸方向每个时刻下的工程应变
Figure BDA00021823186800000611
Figure BDA0002182318680000064
第四步，按下式计算每个时刻下的真实应力
Figure BDA0002182318680000065
Figure BDA0002182318680000066
第五步，按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的真实应变
Figure BDA0002182318680000067
Figure BDA0002182318680000068
第六步，以真实应力
Figure BDA0002182318680000069
为纵坐标，真实应变
Figure BDA00021823186800000610
为横坐标，绘制1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线。
进一步的，在步骤六中，针对1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线进行数据处理，得到材料的全历程真实应力应变曲线，具体方法是：在试件断裂前的时刻附近，逐一判断每个时刻下与1.0mm标距对应的有限体A的网格变形情况，确定其满足均匀变形条件的最后一个时刻，将真实应力应变曲线上与对应此时刻之后的真实应力应变数据进行删除，得到被测试材料处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线，将此曲线定义为材料的全历程真实应力应变曲线，该曲线上最后一个点的真实应变定义为1.0mm标距下的材料失效应变或断裂应变。
进一步的，针对全历程真实应力应变曲线，计算材料的局部延伸率，具体方法是：从该曲线上读取均匀延伸率和1.0mm标距下的失效应变，材料的局部延伸率等于失效应变与均匀延伸率的差值，所述均匀延伸率是指在全历程真实应力应变曲线上，试件始终处于均匀颈缩变形下的最大真实应变。
进一步的，在步骤五中，取1≤n≤10，分别计算并绘制各整数标距下的材料真实应力应变曲线；在步骤六中，针对不同标距下的真实应力应变曲线进行数据处理，具体方法是：
第一步，读取不同标距下的真实应力应变曲线，并将所有曲线显示在同一张图表中；
第二步，在DIC系统中，在试件网格处于初始状态上，选取1.0mm标距下的有限体A，初始断裂点O处于有限体A表面的正中心，在试件断裂前的时刻附近，逐一判断每个时刻下的有限体A的网格变形情况，确定其可以满足均匀变形条件的最后一个时刻，将1.0mm标距下的真实应力应变曲线上与对应此时刻之后的真实应力应变数据进行删除，得到处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线，将其定义为材料的全历程真实应力应变曲线，此曲线上最后一个点的真实应变定义为1.0mm标距下的失效应变或断裂应变；
第三步，以材料的全历程真实应力应变曲线为参照曲线，将大于1.0mm标距下的曲线与参照曲线非重合部分的数据进行删除，得到处理后的大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线，曲线最后一个点的真实应变为材料在该标距下的失效应变或断裂应变。
进一步的，针对处理后的1.0mm标距及大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线，取各标距下的曲线的最后一个点表示的断裂应变作为纵坐标，将与其相对应的标距作为横坐标，得到被测试材料的标距效应曲线。
本发明的有益效果
本发明提供了一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，避免了现有技术的不足，其产生的有益效果主要体现在以下四个方面：
第一，相比传统的单轴拉伸试验方法，通过引入有限体概念，能够在严格意义上证明“材料在局部颈缩段的真实应力应变关系是可以测量的”的结论是正确的，是对传统认知的重大突破，为其规模化的工程应用扫除了认知障碍。
第二，相比现有的单轴拉伸试验技术，通过引入DIC测试技术，并清晰的定义单轴拉伸试验的技术要求、技术流程和技术目标，保证了单轴拉伸DIC试验的试验效率及其试验数据处理的可靠性和客观性，为其规模化的工程应用扫除了技术障碍。
第三，相比传统的材料本构模型，通过本发明获取材料的全历程真实应力应变曲线或真实应力-塑性应变曲线，一方面，由于材料硬化模型是试验测量的结果而不是外推的结果，将显著提高各种有限元模型的预测精度；另一方面，将其与标距效应曲线相结合，为材料等效应变失效模型设定不同网格尺寸下的失效应变，显著降低了材料失效模拟在工程应用上的复杂性，因此，在提升模型仿真精度的同时，降低了使用成本，为其规模化的工程应用扫除了效果障碍。
第四，通过本发明获取的局部延伸率，是评估先进高强钢材料成形性能的核心参数之一，可显著提升材料成形评估的客观性，并且成本低，因此，局部延伸率的精确测量，为其规模化的工程应用扫除了效果障碍。
综上所述，通过本发明的系统实施，可以扫除认知障碍、技术障碍和效果障碍，同时，试验数据处理非常适合编写程序自动完成，提高了数据处理效率，为其规模化的工程应用铺平了道路，因此，本发明具有重要的理论与工程实践意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本实施例流程示意图；
图2是单轴拉伸DIC试验用拉伸试件尺寸示意图；
图3是喷射哑光漆后的拉伸试件50mm标距段示意图；
图4是试件被拉断后的50mm标距段变形示意图；
图5是DIC系统中试件宽度方向生成的24个网格示意图；
图6是DIC系统中初始断裂点O位置示意图；
图7是1.0mm标距下的有限体A及节点标记示意图；
图8是材料DP780处理前的1.0mm标距下的真实应力应变曲线示意图；
图9是DIC系统中选取的1.0mm标距有限体示意图；
图10是DIC系统中1.0mm标距有限体最后一个满足均匀变形时刻的变形示意图；
图11是材料DP780处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线示意图；
图12是材料DP780处理前的不同标距下的真实应力应变曲线示意图；
图13是材料DP780处理后的不同标距下的真实应力应变曲线示意图；
图14是材料DP780的标距效应曲线示意图；
图15是材料DP780的全历程等效应力-等效塑性应变曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
本实施例以材料DP780为例，采用的拉伸试验机型号为Zwick/Roell Z050、DIC测试系统为德国GOM公司的ARAMIS系统，数据处理软件为EXCEL，详细说明本发明的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，如图1所示，其包括如下步骤：
步骤一、单轴拉伸材料DIC试验，包括以下步骤：
第一步，制作材料DP780的单轴拉伸DIC试验用拉伸试件尺寸，如图2所示，其标距为50mm、宽度为12mm、厚度为1.4mm，初始截面积为16.8mm2，在拉伸试件一侧的表面喷射哑光漆，喷射哑光漆后的拉伸试件50mm标距段，如图3所示，然后，在拉伸试件上画出中轴线、标距两端及其正中间的三条横线，中轴线与正中间横线的交点为试件表面正中心点Q所在的位置。
第二步，将喷射了哑光漆的拉伸试件安装在单轴拉伸试验机上，在单轴拉伸试验机的控制系统中设置拉伸速度为2.0mm/min，将DIC系统的摄像头对准试件喷射了哑光漆的一侧，在DIC系统中设置摄像机的照片拍摄频率为每秒一张。
第三步，在调试完拉伸机控制系统和DIC系统之后，同时启动单轴拉伸试验机和DIC系统进行单轴拉伸试验，直到试件被拉断，拉伸试件被拉断后的50mm标距段变形，如图4所示，在试件拉伸过程中，拉伸试验机按照拍摄频率每秒一个数据记录拉伸载荷F，摄像机按照拍摄频率每秒一张记录试件的连续变形照片，保证作用的载荷与试件变形状态及相关计算数据能够一一对应。
步骤二、单轴拉伸试件网格生成与计算(注1：本发明中的网格在DIC系统中称之为虚拟应变片，网格上的节点在DIC中称之为散斑，本质上都是基于有限元思想，称之为网格和节点方便理解且更为准确)，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，在处于初始状态的拉伸试件表面上，选取计算区域，如图3所示的长度为50mm、宽度为12mm的计算区域，要求局部颈缩段位于此区域中，如图4所示。
第二步，根据在宽度方向生成的网格数量为两倍宽度的技术要求，在DIC系统中，设置网格生成控制参数并计算，取计算区域中的长度为12mm、宽度为12mm的区域为例，要求设置的参数在试件宽度方向上生成的24个网格，由于在DIC系统中，只要选取的长宽是整数，生成的网格均是正方形，因此，长度方向与宽度方向网格数量一致，如图5所示，且试件表面正中心点Q位于此区域的正中心。
第三步，在DIC系统中，根据生成的网格，DIC系统对试件的连续变形照片上对应的计算区域逐一进行计算，得到网格上节点的位移数据结果，对没有结果的节点，在DIC系统中进行插值计算，保存计算结果。
步骤三、单轴拉伸网格测量与节点命名，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，以网格形式显示试件表面的变形状态，针对试件断裂前附近时刻的试件变形计算结果，在试件局部颈缩变形区域，确定处于或最接近最小截面处的一排节点；然后，将试件从当前状态回到初始状态，以试件表面正中心Q为参考点，此排节点与参考点Q在拉伸方向的距离要求小于或等于20mm；最后，从此排节点中，选取位于试件中轴线上的节点作为初始断裂点O，如图4和图6所示，将其编码为“0”，并将此初始断裂点O在DIC系统中取名为M0000。
第二步，在DIC系统中，针对试件上布置的网格的初始状态或未变形状态，如图6所示，测量网格的基本尺寸，具体方法是：按图7所示的位置定义，测量初始断裂点O与其上方相邻节点的距离或网格尺寸l0为0.485mm(注2：由于标定的原因，测量结果不等于0.5mm，但其对应的物理意义上的尺寸为0.5mm，不影响数据处理结果，同时，由于在DIC系统中选取的计算区域难以保证严格等于整数，测量的任意相邻两点的距离l0存在一定偏差，但均按测量的距离l0进行处理)。
第三步，在DIC系统中，确定与初始断裂点O具有相同纵坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为长度；确定与初始断裂点O具有相同横坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为宽度；以试件厚度h0为高度，定义一个长·宽·高为2nl0·2nl0·h0的有限体A，将有限体A的长度2nl0定义为标距，其中，n＝1、2、3···s，将有限体A上与初始断裂点O具有相同纵坐标且与其距离为nl0的两节点均编码为“n”；在DIC系统中，针对此两个节点，将位于初始断裂点O上方的节点，命名为“U0n00”，将位于初始断裂点O下方的节点，命名为“D0n00”，当n＝1，拉伸方向标记的节点及名称为ZoneA-1.0mm的有限体A，如图7所示。
步骤四、单轴拉伸DIC试验结果输出，包括以下步骤：
第一步，从DIC系统中(拉伸试验机记录的拉伸载荷被实时的传输到DIC系统中)，输出拉伸载荷F的文件名为FORCE；
第二步，从DIC系统中，输出名称为U0n00和D0n00的标记点在拉伸方向或Y方向上的位移数据，将文件分别命名为U0n00-Y和D0n00-Y，当n＝1，则文件名分别为U0100-Y和D0100-Y。
步骤五、根据以上步骤中记录的参数和输出的试验结果，以1.0mm标距下的有限体A为对象，根据应力应变的标准定义，计算真实应力和真实应变，并绘制真实应力应变曲线，其步骤包括：
第一步，提取试件的网格尺寸l0、厚度h0、初始截面积A0，有限体A的长·宽·高为2l0·2l0·h0。
第二步，按下式计算每个时刻下的工程应力
Figure BDA0002182318680000111
Figure BDA0002182318680000112
其中，拉伸载荷F读取自文件FORCE。
第三步，计算每个时刻下的工程应变
Figure BDA0002182318680000113
(注3：下标“1”表示1.0mm标距下的工程应变，下同)，包括以下步骤：
(1)按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的拉伸变形量Δl：
Δl＝|U0100_Y-D0100_Y| (2)
其中，U0100_Y为节点U0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件U0100-Y；D0100_Y为节点D0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件D0100-Y。
(2)按下式计算有限体A拉伸方向每个时刻下的工程应变
Figure BDA0002182318680000114
Figure BDA0002182318680000115
第四步，按下式计算每个时刻下的真实应力
Figure BDA0002182318680000116
Figure BDA0002182318680000117
第五步，按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的真实应变
Figure BDA0002182318680000118
Figure BDA0002182318680000119
第六步，以真实应力
Figure BDA00021823186800001110
为纵坐标，真实应变
Figure BDA00021823186800001111
为横坐标，绘制标距为1.0mm下的材料真实应力应变曲线，如图8所示。
步骤六、对1.0mm标距下的真实应力应变曲线进行数据处理，具体方法是：在DIC系统中，将试件网格处于初始状态上(DIC拍摄照片编号为0000)，选取与此曲线对应的1.0mm标距下的有限体A，即在DIC系统中选取了一个大小为0.970mm×0.970mm×1.4mm的区域作为有限体ZoneA-1.0mm，如图7和图9所示，对应物理意义上的有限体的大小为1.0mm×1.0mm×1.4mm，要求初始断裂点O处于此有限体表面的正中心，在试件断裂前的时刻(DIC拍摄照片编号为1020)附近，逐一判断每个时刻下的此有限体的网格变形情况，确定其可以满足均匀变形条件的最后一个时刻(DIC拍摄照片编号为0996)，此有限体满足均匀变形的最后一个时刻的变形，如图10所示；将该曲线上与对应此时刻0996之后的真实应力应变数据进行删除(注4：此部分数据为试件的断裂过程产生的无效数据，材料失效由有限体A是否满足均匀性变形为判断依据，因此，材料失效在试件断裂之前，材料失效是试件断裂的原因，试件断裂是材料失效的结果)，得到处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线，如图11所示，将其定义为材料DP780的全历程真实应力应变曲线，也称之为全历程硬化曲线，该曲线上最后一个点的真实应变定义为1.0mm标距下的材料失效应变或断裂应变，该曲线的物理意义表示以名ZoneA-1.0mm的有限体A为研究对象，在试件均匀颈缩阶段和局部颈缩阶段，保证其始终处于均匀变形条件下的材料DP780的真实应力应变曲线。
进一步的，针对材料DP780的全历程真实应力应变曲线，从该曲线上读取失效应变为0.4299，均匀延伸率为0.2125，所述均匀延伸率是指在全历程真实应力应变曲线上，试件始终处于均匀颈缩变形下的最大真实应变，其与传统单轴拉伸试验计算得到的均匀延伸率一致，因此，DP780的局部延伸率等于失效应变与均匀延伸率的差值为0.2174。
进一步的，在步骤五中，取1≤n≤10，分别计算并绘制各整数标距下的材料真实应力应变曲线；在步骤六中，针对1.0mm到10mm整数标距下的真实应力应变曲线进行数据处理，具体方法是：
第一步，读取不同标距下的真实应力应变曲线，并将所有曲线显示在同一张图表中，横坐标为真实应变，纵坐标为真实应力，对每条曲线按照PK2-0&L-nmm的格式命名，如图12所示。
第二步，按照本实施例中步骤六的方法对1.0mm标距下的真实应力应变曲线进行数据处理，得到处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线。
第三步，以处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线PK2-0&L-1.0mm作为参照曲线，将其它标距下的曲线与参照曲线非重合部分的数据进行删除(注5：此部分数据为试件的断裂过程产生的无效数据，在效果上，该处理方法与“材料失效由标距为2nl0的有限体是否满足均匀性变形为判断依据”的处理方式是一致的，但在操作上更简单)，得到处理后的大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线，材料DP780处理后的不同标距下的真实应力应变曲线，如图13所示，各曲线最后一个点的真实应变为材料在该标距下的失效应变或断裂应变，若标距大于10mm，对应的失效应变将快速收敛于50mm标距下的失效应变或材料的均匀延伸率。
进一步的，针对处理后的1.0mm标距及大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线PK2-0&L-n mm，取各标距下的曲线的最后一个点表示的断裂应变作为纵坐标，各标距下的曲线的最后一个点，如图13所示，如A点是1.0mm标距下的点、B点是2.0mm标距下的点，其它依此类推，将与断裂应变相对应的标距作为横坐标，得到材料DP780的标距效应曲线，如图14所示。
进一步的，针对材料DP780的全历程真实应力应变曲线，剔除弹性变形段之后，得到材料DP780的全历程等效应力-等效塑性应变曲线，如图15所示，可将其作为碰撞有限元模型或冲压仿真模型的材料数据输入。
以上实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质性保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其步骤包括：
步骤一、单轴拉伸材料DIC试验，包括以下步骤：
第一步，按照单轴拉伸试验规范，制作单轴拉伸试验用的标准拉伸试件，并记录试件的厚度h0、宽度w0和初始截面积A0，然后，对试件一侧的表面喷漆；
第二步，将喷了漆的拉伸试件安装在单轴拉伸试验机上，在单轴拉伸试验机的控制系统中设置拉伸速度v0，将DIC系统的摄像头对准试件喷了漆的一侧，在DIC系统上设置摄像机的拍摄频率f0；
第三步，在调试完拉伸机控制系统和DIC系统之后，同时启动单轴拉伸试验机和DIC系统进行单轴拉伸DIC试验，直到试件被拉断，在试件拉伸过程中，拉伸试验机按照拍摄频率f0记录拉伸载荷F，摄像机按照拍摄频率f0记录试件的连续变形照片；
步骤二、单轴拉伸试件网格生成与计算，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，在处于初始状态的拉伸试件表面上，选取一个面积为L×W的计算区域，其中，L为长度，W为宽度；
第二步，在DIC系统中，设置网格生成控制参数，使得在计算区域宽度方向上生成的网格数量为2W；
第三步，在DIC系统中，根据生成的网格，DIC系统对试件的连续变形照片上对应的计算区域逐一进行计算，得到网格上节点的位移数据结果，对没有结果的节点，在DIC系统中进行插值计算，保存计算结果；
步骤三、单轴拉伸网格测量与节点命名，包括以下步骤：
第一步，在DIC系统中，针对试件断裂前附近时刻的试件变形结果，在试件局部颈缩变形区域，确定处于或最接近最小截面处的一排节点，选取此排节点中位于试件中轴线上或最靠近中轴线的节点作为初始断裂点O，将其在DIC系统中进行命名；
第二步，在DIC系统中，针对试件上生成网格的初始状态，测量任意两个相邻节点之间的距离或网格尺寸l0并记录；
第三步，在DIC系统中，确定与初始断裂点O具有相同纵坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为长度；确定与初始断裂点O具有相同横坐标，且与其距离均为nl0的两个节点，以此两节点距离2nl0为宽度；以试件厚度h0为高度，定义一个长·宽·高为2nl0·2nl0·h0的有限体A，将有限体A的长度2nl0定义为标距，其中，n＝1、2、3…s，并对有限体A上、与初始断裂点O具有相同纵坐标、且与其距离均为nl0的两节点，在DIC系统中进行命名；
步骤四、单轴拉伸DIC试验结果输出，包括以下步骤：
第一步，从DIC系统中，输出拉伸载荷F；
第二步，从DIC系统中，输出标距为2nl0的有限体A上、与初始断裂点O具有相同纵坐标、且与其距离均为nl0的两节点，在拉伸方向或Y方向的位移数据；
步骤五、根据以上步骤中记录的参数和输出的试验结果，以标距为2nl0的有限体A为对象，按照应力应变的标准定义，计算材料的真实应力和真实应变，并绘制材料在2nl0标距下的真实应力应变曲线；
步骤六、根据标距为2nl0的有限体A需满足均匀变形条件的技术要求，对试件断裂前的有限体A的变形逐一进行判断，将不满足均匀变形要求的真实应力应变数据进行删除，最终得到处理后的标距为2nl0的真实应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤一第一步中，采用拉伸试件的标距为50mm、宽度为12mm，在试件一侧表面喷射哑光漆；在步骤二第一步中，选取试件的计算区域为50mm×12mm，在步骤二第二步中，在试件宽度方向上生成的网格数量为24个。
3.根据权利要求2所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤三第一步中，初始断裂点O的选取方法是：在DIC系统中，以网格形式显示试件表面的变形状态，针对试件断裂前附近时刻的试件变形结果，在试件局部颈缩变形区域，确定处于或最接近最小截面处的一排节点；然后，将试件从当前状态回到初始状态，以计算区域50mm×12mm内的正中心Q为参考点，此排节点与参考点Q在拉伸方向的距离要求小于或等于20mm；最后，从此排节点中，选取位于试件中轴线上的节点作为初始断裂点O；在步骤三第二步中，在DIC系统中，针对试件上生成的网格的初始状态，以初始断裂点O为参照点，测量与其相邻四个节点中的任一节点的距离l0并记录。
4.根据权利要求3所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤三第一步中，将初始断裂点O编码为“0”，并将其在DIC系统中命名为M0000；在步骤三第三步中，将有限体A上与初始断裂点O具有相同纵坐标且与其距离为nl0的两节点均编码为“n”，在DIC系统中，针对此两个节点，将位于初始断裂点O上方的节点，命名为“U0n00”，将位于初始断裂点O下方的节点，命名为“D0n00”。
5.根据权利要求4所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤四中，对试验数据输出文件进行命名，具体是：从DIC系统中，输出拉伸载荷F的文件名为FORCE；输出名称为U0n00和D0n00的节点在拉伸方向或Y方向的位移数据，将文件分别命名为U0n00-Y和D0n00-Y。
6.根据权利要求5所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤五中，取n等于1，则有限体A的标距为1.0mm，计算并绘制1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线，其步骤包括：
第一步，提取试件的网格尺寸l0、厚度h0、初始截面积A0，有限体A的长·宽·高为2l0·2l0·h0；
第二步，按下式计算每个时刻下的工程应力
Figure FDA0002182318670000031
Figure FDA0002182318670000032
其中，拉伸载荷F读取自文件FORCE；
第三步，计算每个时刻下的工程应变
Figure FDA0002182318670000033
包括以下步骤：
(1)按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的拉伸变形量Δl：
Δl＝|U0100_Y-D0100_Y| (2)
其中，U0100_Y为节点U0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件U0100-Y；D0100_Y为节点D0100每个时刻下的Y方向位移，读取自文件D0100-Y；
(2)按下式计算有限体A拉伸方向每个时刻下的工程应变
Figure FDA0002182318670000034
Figure FDA0002182318670000035
第四步，按下式计算每个时刻下的真实应力
Figure FDA0002182318670000036
Figure FDA0002182318670000037
第五步，按下式计算有限体A在拉伸方向上、每个时刻下的真实应变
Figure FDA0002182318670000038
Figure FDA0002182318670000039
第六步，以真实应力
Figure FDA00021823186700000310
为纵坐标，真实应变
Figure FDA00021823186700000311
为横坐标，绘制1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线。
7.根据权利要求6所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤六中，针对1.0mm标距下的材料真实应力应变曲线进行数据处理，得到材料的全历程真实应力应变曲线，具体方法是：在试件断裂前的时刻附近，逐一判断每个时刻下与1.0mm标距对应的有限体A的网格变形情况，确定其满足均匀变形条件的最后一个时刻，将真实应力应变曲线上与对应此时刻之后的真实应力应变数据进行删除，得到被测试材料处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线，将此曲线定义为材料的全历程真实应力应变曲线，该曲线上最后一个点的真实应变定义为1.0mm标距下的材料失效应变或断裂应变。
8.根据权利要求7所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：针对全历程真实应力应变曲线，计算材料的局部延伸率，具体方法是：从该曲线上读取均匀延伸率和1.0mm标距下的失效应变，材料的局部延伸率等于失效应变与均匀延伸率的差值，所述均匀延伸率是指在全历程真实应力应变曲线上，试件始终处于均匀颈缩变形下的最大真实应变。
9.根据权利要求1或5或6所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：在步骤五中，取1≤n≤10，分别计算并绘制各整数标距下的材料真实应力应变曲线；在步骤六中，针对不同标距下的真实应力应变曲线进行数据处理，具体方法是：
第一步，读取不同标距下的真实应力应变曲线，并将所有曲线显示在同一张图表中；
第二步，在DIC系统中，在试件网格处于初始状态上，选取1.0mm标距下的有限体A，初始断裂点O处于有限体A表面的正中心，在试件断裂前的时刻附近，逐一判断每个时刻下的有限体A的网格变形情况，确定其可以满足均匀变形条件的最后一个时刻，将1.0mm标距下的真实应力应变曲线上与对应此时刻之后的真实应力应变数据进行删除，得到处理后的1.0mm标距下的真实应力应变曲线，将其定义为材料的全历程真实应力应变曲线，此曲线上最后一个点的真实应变定义为1.0mm标距下的失效应变或断裂应变；
第三步，以材料的全历程真实应力应变曲线为参照曲线，将大于1.0mm标距下的曲线与参照曲线非重合部分的数据进行删除，得到处理后的大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线，曲线最后一个点的真实应变为材料在该标距下的失效应变或断裂应变。
10.根据权利要求9所述的测定材料真实应力应变曲线的试验与计算方法，其特征在于：针对处理后的1.0mm标距及大于1.0mm标距下的真实应力应变曲线，取各标距下的曲线的最后一个点表示的断裂应变作为纵坐标，将与其相对应的标距作为横坐标，得到被测试材料的标距效应曲线。
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