CN113125260B - 一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法 - Google Patents

一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,得到准确的小尺寸试验件三点弯曲试验载荷位移曲线,建立试验件有限元模型,通过改变赋予试验件的弹性模量数值模拟出试验件的载荷位移曲线图,当试验载荷位移曲线图与数值模拟得到的载荷位移曲线图相同时,数值模拟结果为试验件的弹性模量。本发明优点为不受试验件尺寸、结构约束,可以测量传统无法测量的结构试件,可测量小型金属试件。操作简单,可较为精度得获得小尺寸非标准件的弹性模量。

Description

一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域,特别涉及一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法。
背景技术
弹性模量是反映材料抵抗外界作用力而产生变形的能力尺度,是材料基本性能之一。目前弹性模量的测量方法有应变-应力法、共振法、超声波法和弯曲法。应力-应变法准确性高,但要求试验件横截面积大多为矩形或圆形,较为规整,且外形较大,不适用于小尺寸金属圆环。共振法与超声波法利用声波在材料传播的阻尼特性得到材料的弹性模量,这种方法试验与计算都较为复杂。弯曲法利用三点弯曲或四点弯曲对试验件施加压缩载荷,通过试验件的变形分析得到材料的弹性模量。目前弯曲法多为标准试验件,试验件一般是矩形截面或棒状结构。
在制造工艺的限制下,一些材料无法加工成大尺寸的标准试验件,如采用真空电弧熔炼方法获得的金属锭一般尺寸较小,无法将金属锭加工成大尺寸的标准试验件。因此,如何获取小尺寸试验件的弹性模量变得十分重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是:为了解决现有技术中的不足,本发明涉及一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,将试验过程与有限元分析结合,可针对小尺寸、非标准试验件开展弹性模量测试。
本发明的技术方案是:一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,包括以下步骤:
步骤1:根据试验件尺寸绘制试验件模型,并根据夹具的弯矩载荷施加点绘制施力棒;
步骤2:定义材料属性,赋予试件模型可变形实体属性,并对试件赋予假设的弹性模量初始值E0;赋予施力棒离散刚体属性;
步骤3:对施力棒和试件接触面定义接触,在接触属性中引入切向性能以及法向性能,其中切向性能引入罚函数,并根据夹具表面光滑程度定义罚系数;法向性能采用“硬”接触;
步骤4:在施力棒上添加参考点;
步骤5:对模型绘制网格,对试件模型绘制C3D8R属性网格,对施力棒绘制R3D4 属性网格;
步骤6:输出参考点载荷-位移曲线,计算曲线斜率,将这个斜率定义为k1
步骤7:进行试验件试验,得到试验得到的载荷-位移曲线斜率为k0
步骤8:对步骤6和步骤7的两个斜率进行比较:
当|k0-k1|/k0小于5%时,则此时输入的弹性模量为试验件的弹性模量;
当|k0-k1|/k0大于或等于5%时,则此时输入的弹性模量不为试验件的弹性模量,进一步需要判断两者斜率的大小:
当k0大于k1时,判断输入的弹性模量较小,将输入的弹性模量E0加上一定的值,重新输入到模型中。
当k0小于k1时,判断输入的弹性模量较大,将输入的弹性模量E0减去一定的值,重新输出到模型中。
本发明进一步的技术方案是:所述步骤4中的施加参考点,当为三点弯曲情况时,定义有两个受力点的施力棒参考点为RP-1、RP-2,有一个受力点的施力棒参考点为 RP-3;将参考点与对应的施力棒关联在一起,对RP-1、RP-2施加固定约束,即约束三个位移以及三个旋转;对RP-3施加固定约束并释放上线(Z轴)位移约束,即约束X、Y 约束以及三个旋转。
本发明进一步的技术方案是:所述试验件为圆形金属件时,可取三个弯矩施加点分别为第一弯矩施加点、第二弯矩施加点以及第三弯矩施加点,其中第一弯矩施加点和第二弯矩施加点位于圆形金属件一面的两端,第三弯矩施加点位于圆形金属件另一面的中部过圆心。
本发明进一步的技术方案是:所述试验件为圆形金属件时,可取四个弯矩施加点分别为第四弯矩施加点、第五弯矩施加点、第六弯矩施加点和第七弯矩施加点,其中第四弯矩施加点和第五弯矩施加点位于圆形金属件一面的两端,第六弯矩施加点和第七弯矩施加点位于圆形金属件另一面沿轴心对称布置,且相对第四弯矩施加点和第五弯矩施加点更靠近圆心处。
本发明进一步的技术方案是:所述试验件为方形金属件时,可取三个弯矩施加点分别为第八弯矩施加点、第九弯矩施加点和第十弯矩施加点,第八弯矩施加点和第九弯矩施加点位于方形金属件其中一面上且为对称分布,第十弯矩施加点位于第八第九弯矩施加点安放面对应的另一面上且在中部放置。
本发明进一步的技术方案是:所述试验件为方形金属件时,可取四个弯矩施加点分别为第十一弯矩施加点、第十二弯矩施加点、第十三弯矩施加点以及第十四弯矩施加点,其中第十一弯矩施加点和第十二弯矩施加点位于方形金属件的一面,第十三弯矩施加点和第十四弯矩施加点位于对应的另一面,且第十三弯矩施加点和第十四弯矩施加点较第十一弯矩施加点和第十二弯矩施加点更靠近方形金属件中部。
本发明进一步的技术方案是:所述弯矩施加点通过柱状施力棒结构施力,所述柱状施力棒结构定位为刚体棒状结构。
本发明进一步的技术方案是:弯矩施加点放置时,轴线相互保持平行。
发明效果
本发明的技术效果在于:本方法得到准确的小尺寸试验件三点弯曲试验载荷位移曲线,建立试验件有限元模型,通过改变赋予试验件的弹性模量数值模拟出试验件的载荷位移曲线图,当试验载荷位移曲线图与数值模拟得到的载荷位移曲线图相同时,数值模拟结果为试验件的弹性模量。本发明优点为不受试验件尺寸、结构约束,可以测量传统无法测量的结构试件,可测量小型金属试件。操作简单,可较为精度得获得小尺寸非标准件的弹性模量。
附图说明
图1为一种小尺寸金属圆环力学性能测试夹具的示意图
图2为球形夹具、上平台与铰链接头装配的示意图
图3为上平台、导轨与下夹具装配的示意图
图4为上平台、试验件、下夹具工作时的正视图
图5为小尺寸金属圆环三点弯曲数值模拟建模示意图
图6为小尺寸金属圆环三点弯曲数值模拟建模正视图
图7为小尺寸金属圆环三点弯曲数值模拟载荷-位移曲线图
图8为小尺寸金属圆环三点弯曲试验载荷-位移曲线图
图9为试验与数值模拟载荷-位移曲线图对比情况一
图10为试验与数值模拟载荷-位移曲线图对比情况二
图11为求得试验件弹性模量流程图
图12为小尺寸金属圆环四点弯曲数值模拟建模示意图
图13为小尺寸金属方形板件第一种三点弯曲模拟建模示意图
图14为小尺寸金属方形板件第一种四点弯曲模拟建模示意图
附图标记说明:1、球形夹具;2、铰链接头;3、螺栓;4、导轨;5、上平台; 6、试验件标具;7、下夹具;8、试验件;11、球形夹具试验机夹紧端;12、球头;13、球形夹具内螺纹;101、102、103、111、112、113、201、202、203、204、301、302、 303、401、402、403、501、502、503、504均为弯曲载荷施加点。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图14,一种小尺寸金属圆环弹性模量测试方法,提供了一种小尺寸金属圆环数值模拟建模方式,涉及小尺寸金属圆环或小尺寸脆性材料非标准试验件弹性模量或强度的测试。所述脆性材料主要是指断裂过程中极限应变小于5%的一类材料。
本发明基本原理是采用三点弯曲法,根据试验件结构外形以及夹具对试验件三点弯曲位置建立有限元计算模型,并对加载位移施加除竖直方向外的固定约束,对加载位置施加竖直方向的力,根据试验结果对数值模拟结果迭代计算,当数值模拟结果与试验结果载荷-位移曲线斜率相差小于5%时,认为数值模拟中的弹性模量与试验件相同。本方法不局限与试验件外形为圆形,试验件材料为金属,所述试验件特性仅为最优实施例,并非对试验件施加任何形式上的限制。
需要理解的是,规定所有示意图竖直方向为Z轴,X轴为试验件夹具可移动方向, Y轴为右手定则规定方向,仅在下文用于描述本发明。
基于本方法提供一种小尺寸高精度金属圆环三点弯曲试验夹具,如图1~图3所示,由球形夹具、铰链接头、导轨、上平台、试验件标具、下夹具组成。所述球形夹具一端用试验机夹取,一端通过铰链接头并与上平台组成铰链结构;铰链接头与上平台通过螺栓链接;导轨下端与下夹具螺栓链接,并且通过上平台通孔;试验件标具共有对称两个,中间是试验件形状;下夹具用试验机夹取;所述上平台下端为尖形凸台。
所述球形夹具一段为球形并与铰链接头、上平台圆弧接触,铰链接头与上平台通过螺栓链接,并由此形成圆形结构,球形夹具通过铰链接头上通孔范围自由移动。所述导轨与上平台以及下夹具形成结构可使上平台垂直对试验件施加压力。导轨可通过上平台圆孔以及下夹具螺纹孔组合。
将球形杆件、铰链接头以及上平台组装在一起形成铰链结构,铰链接头与上平台5用螺栓链接,铰链接头2与上平台5上均有螺纹孔,球形杆件1球形部分与上平台5铰链接头2球形凹槽紧密接触,形成如图2所示的铰链结构。
进一步如图3所示,所述上平台5上有导轨孔,下夹具7上有导轨4的螺纹孔,导轨4通过上平台5的导轨孔与下夹具7的螺纹孔链接,这使上平台在导轨上竖直移动。
进一步如图4所示,所述上平台5存在一个尖形凸台,下夹具7存在两个尖形凸台。凸台与试验件8接触,并对试验件8施压形成三点弯曲。
进一步如图5、图6所示,建立有限元模型,在有限元软件中建立试验件的数值模型,对弯矩施加点101、102以及103赋予离散刚性壳属性,对试验件模型赋予可变性实体并假设的弹性模量初始值E0
进一步如图5所示,将弯矩施加点101、102以及103和试验件模型装配起来并对接触面定义接触属性。在接触属性中引入切向性能以及法向性能,其中切向性能引入罚函数,并根据夹具表面光滑程度定义罚系数。法向性能采用“硬”接触。
进一步如图5和图6所示,在弯曲施加点101、102以及103上分别引入参考点 RP-1、RP-2以及RP-3,并将弯矩施加点与对应的参考点关联起来,即对参考点施加力等价于对施力棒施加力。对RP-1、RP-2施加固定约束,即约束三个位移以及三个旋转。对RP-3施加固定约束并释放上线(Z轴)位移约束,即约束X、Y约束以及三个旋转。
进一步对模型绘制网格,将弯矩施加点101、102以及103的数值模型采用四结点三维双线性刚性四边形(R3D4)进行绘制,将试验件的数值模型采用八结点线性六面体减缩积分单元(C3D8R)进行绘制。
如图7所示,分析步采用通用静力分析步,在历程输出中添加参考点RP-3,输出RP-3竖直方向载荷以及位移,并在商业有限元软件中将上述有限元模型提交计算,通过后处理输出载荷-位移曲线,得到曲线斜率k1
如图8所示,根据本发明结合配套夹具进行试验,采用静力压缩试验机,将试验夹具装配到试验机上后进行试验,并输出试验的载荷-位移曲线,如图8所示,由于夹具间隙或者试验机间隙影响,试验机输出载荷-位移曲线开始时可能出现非线性增长。对试验结果进行处理,曲线起始阶段曲线斜率小,所以将此段剔除,以曲线开始线性增长M为原点,进而得到试验过程的载荷-位移曲线。
进一步如图9,图10以及图11所示,将试验结果与数值模拟结果绘制在一起,会出现两种情况,试验载荷-位移曲线斜率k0大于数值模拟载荷-位移曲线斜率k1,或试验载荷-位移曲线斜率k0小于数值模拟载荷-位移曲线斜率k1
进一步如图11所示当|k0-k1|/k0<5%时,误差小于5%,则认定此时输入的弹性模量为试验件的弹性模量
进一步如图11所示当|k0-k1|/k0大于或等于5%时,则认定此时输入的弹性模量不准确,则需要判断两者斜率的大小,当试验载荷-位移曲线斜率k0大于数值模拟载荷-位移曲线斜率k1时,判断输入的弹性模量较小将输入的弹性模量E0加上一定的值,当试验载荷-位移曲线斜率k0小于数值模拟载荷-位移曲线斜率k1时,判断输入的弹性模量较大将输入的弹性模量E0减去一定的值,本实例采用100MPa,即△E=100MPa。再将得到的弹性模量值输入是指模拟的模型中得到新的载荷-位移曲线,重新进行如图11所示的流程图,最终当|k0-k1|/k0<5%时,认定此时的弹性模量为试验件的弹性模量。
实施方案二
本方案与方案一基本相同,不同的是试验件可进行四点弯曲,其数值模拟建模为图12所示,对弯曲施加点201、202、203以及204施加除Z轴自由外的固定约束,并规定弯曲施加点201、202、203以及204为刚体。并对弯曲施加点201、202、203以及204施加Z轴方向的载荷。
实施方案三
本方案与方案一基本相同,不同的是试验件可为方形,其弯曲施加点301、302、棒状结构轴向为试验件的边方向。其数学建模为图13所示,对弯曲施加点301、302、 303施加除Z轴自由外的固定约束,并规定弯曲施加点301、302、303为刚体。并对弯曲施加点301、302、303施加Z轴方向的载荷。
实施方案四
本方案与方案一基本相同,不同的是试验件可为方形,并进行四点弯曲,其弯曲施加点501、502、503以及504棒状结构轴向为试验件的边方向。其数学建模为图14 所示,对弯曲施加点501、502、503以及504施加除Z轴自由外的固定约束,并规定弯曲施加点501、502、503以及504刚体。并对弯曲施加点501、502、503以及504 施加Z轴方向的载荷。
以上所述,仅是本发明最佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,虽然本发明最佳实施例揭露如上,但这并非本发明仅有的方案,任何在不脱离本发明方案的更改或修饰已实现等同本发明相同或相似功能,在未脱离本发明技术范围内,均在新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:根据试验件尺寸绘制试验件模型,并根据夹具的弯矩载荷施加点绘制施力棒;
步骤2:定义材料属性,赋予试件模型可变形实体属性,并对试件赋予假设的弹性模量初始值E0;赋予施力棒离散刚体属性;
步骤3:对施力棒和试件接触面定义接触,在接触属性中引入切向性能以及法向性能,其中切向性能引入罚函数,并根据夹具表面光滑程度定义罚系数;法向性能采用“硬”接触;
步骤4:在施力棒上添加参考点;
步骤5:对模型绘制网格,对试件模型绘制C3D8R属性网格,对施力棒绘制R3D4属性网格;
步骤6:输出参考点载荷-位移曲线,计算曲线斜率,将这个斜率定义为k1
步骤7:进行试验件试验,得到试验得到的载荷-位移曲线斜率为k0
步骤8:对步骤6和步骤7的两个斜率进行比较:
当|k0-k1|/k0小于5%时,则此时输入的弹性模量为试验件的弹性模量;
当|k0-k1|/k0大于或等于5%时,则此时输入的弹性模量不为试验件的弹性模量,进一步需要判断两者斜率的大小:
当k0大于k1时,判断输入的弹性模量较小,将输入的弹性模量E0加上一定的值,重新输入到模型中;
当k0小于k1时,判断输入的弹性模量较大,将输入的弹性模量E0减去一定的值,重新输出到模型中。
2.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述步骤4中的施加参考点,当为三点弯曲情况时,定义有两个受力点的施力棒参考点为RP-1、RP-2,有一个受力点的施力棒参考点为RP-3;将参考点与对应的施力棒关联在一起,对RP-1、RP-2施加固定约束,即约束三个位移以及三个旋转;对RP-3施加固定约束并释放上线即Z轴位移约束,即约束X、Y约束以及三个旋转。
3.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述试验件为圆形金属件时,可取三个弯矩施加点分别为第一弯矩施加点(101)、第二弯矩施加点(102)以及第三弯矩施加点(103),其中第一弯矩施加点(101)和第二弯矩施加点(102)位于圆形金属件一面的两端,第三弯矩施加点(103)位于圆形金属件另一面的中部过圆心。
4.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述试验件为圆形金属件时,可取四个弯矩施加点分别为第四弯矩施加点(201)、第五弯矩施加点(202)、第六弯矩施加点(203)和第七弯矩施加点(204),其中第四弯矩施加点(201)和第五弯矩施加点(202)位于圆形金属件一面的两端,第六弯矩施加点(203)和第七弯矩施加点(204)位于圆形金属件另一面沿轴心对称布置,且相对第四弯矩施加点(201)和第五弯矩施加点(202)更靠近圆心处。
5.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述试验件为方形金属件时,可取三个弯矩施加点分别为第八弯矩施加点(301)、第九弯矩施加点(302)和第十弯矩施加点(303),第八弯矩施加点(301)和第九弯矩施加点(302)位于方形金属件其中一面上且为对称分布,第十弯矩施加点(303)位于第八第九弯矩施加点安放面对应的另一面上且在中部放置。
6.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述试验件为方形金属件时,可取四个弯矩施加点分别为第十一弯矩施加点(501)、第十二弯矩施加点(502)、第十三弯矩施加点(503)以及第十四弯矩施加点(504),其中第十一弯矩施加点(501)和第十二弯矩施加点(502)位于方形金属件的一面,第十三弯矩施加点(503)和第十四弯矩施加点(504)位于对应的另一面,且第十三弯矩施加点(503)和第十四弯矩施加点(504)较第十一弯矩施加点(501)和第十二弯矩施加点(502)更靠近方形金属件中部。
7.如权利要求1所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,所述弯矩施加点通过柱状施力棒结构施力,所述柱状施力棒结构定位为刚体棒状结构。
8.如权利要求2或3或4或5所述的一种小尺寸非标准试验件弹性模量测试方法,其特征在于,弯矩施加点放置时,轴线相互保持平行。
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