一种材料应力应变本构关系的数值表征方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及材料领域，提供了一种材料应力应变本构关系的数值表征方法，包括，设定试验参数，所述试验参数包括试样温度；根据所述试验参数对材料进行拉伸试验，获取所述材料的拉伸试验数据，所述拉伸试验数据包括应力数据和应变数据；根据所述应力数据和所述应变数据建立应力‑应变曲线；根据所述材料的属性，选择对应的应力‑应变数值化模型，对所述材料的应力‑应变曲线进行拟合，求出所述应力‑应变数值化模型中的参数，所述数值表征方法得到的结果与实际值误差小，更加符合实际；还提供了一种实施上述数值表征方法的系统和一种求取材料应力应变关系的方法。

Numerical characterization method and system for stress-strain constitutive relation of materials

The present invention relates to the field of materials, provides a material stress strain numerical characterization method, constitutive relation including set test parameters, the test parameters include the temperature of sample; according to the test parameters of material tensile test, tensile test data acquisition of the material, the tensile test data including stress data and strain data; according to the data and the data of strain stress strain curve should be mentioned; according to the attribute of material, stress and strain numerical model selection corresponding to the fitting of the material stress strain curve, calculate the parameters for stress strain numerical in the model, the numerical characterization methods of the results and the actual value of the error is small, more practical; the invention also provides a system for implementing the numerical characterization methods and materials for a Method of material stress strain relation.

【技术实现步骤摘要】
一种材料应力应变本构关系的数值表征方法及系统
本专利技术涉及材料的性能表征方法领域，特别涉及一种材料应力应变本构关系的数值表征方法及系统和一种求取材料应力应变关系的方法。
技术介绍
对于材料具有的物理性能数值的准确测算，能够更加清楚、具体地得出材料具有的各个方面的物理特性，为材料的实际应用提供清楚、准确的指导与参考，尤其在一些对于材料的产品应用具有苛刻要求的
，要求用相应材料制造出的产品能够满足产品应用的安全要求，如要求符合高温、高压、易燃、易爆等应用特殊要求，具有高可靠性、稳定性。例如，工业应用中的压力容器往往被用于存储危险介质，其安全运行极为重要。在应用材料进行产品设计中，需要考虑安全性和经济性并存，现有的大多数压力容器材料主要考虑了材料的屈服点以下的弹性阶段的性能，当材料在拉伸过程中经过屈服阶段之后，表现出的抵抗变形的能力增强，使材料继续变形所需要的应力增大，所以需要利用材料弹塑性能的数值化结果来进行压力容器的设计。美国ASME标准现有的材料性能数值化方法，由于材料分类和性能本身的差异，其测算结果往往与我国实际材料的性能偏差较大，不能满足设计的精细化要求，需要寻求一种能够准确表征我国材料的物理性能的方法和手段，以满足材料应用与产品设计的发展要求。对于其他国家亦如此，还需从实际所用国所用的材料的实际物理性能来建立材料性能的数值化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供了一种依据可靠、本构关系更吻合、数学表达更准确、误差更小、更加符合设计安全性和经济性的材料应力应变本构关系的数值表征方法，还提供了一种可靠、符合材料特性要求的实施材料应力应变本构关系表征方法的系统，同时还提供了一种求取材料应力应变关系的方法，以克服材料性能表征方法误差大、曲线与材料的本构关系不吻合的技术缺陷。通过实测材料的应力数据应变数采用数值化模型对其模拟，保证了求出的应力应变本构关系更加符合材料的真实力学性能，为压力容器等力学容器的设计提供了可靠的依据。为了解决现有技术的上述问题，本专利技术的第一方面，提出一种材料应力应变本构关系的数值表征方法，包括以下步骤：a)设定试验参数，所述试验参数包括试样温度；b)根据所述试验参数对材料进行拉伸试验，获取所述材料的拉伸试验数据，所述拉伸试验数据包括应力数据和应变数据；c)根据所述应力数据和所述应变数据建立应力-应变曲线；d)根据所述材料的属性，选择对应的应力-应变数值化模型，对所述材料的应力-应变曲线进行拟合，求出所述应力-应变数值化模型中的参数。本专利技术的第二方面，提供了一种实施材料应力应变本构关系的数值表征方法的系统，包括，用于对材料试样施加载荷的加载装置，用于测量被测材料所受力的测力装置，用于测量应变速率的应变速率测量装置，用于对材料进行加热的加热装置，用于对材料温度进行测量的温度测量装置和用于对应力数据和应变数据进行处理求出应力-应变数值化模型中参数的计算装置。本专利技术的第三方面，提供了一种求取材料应力应变关系的方法，包括，输入温度参数、材料参数到应力应变关系求取模块，所述应力应变关系求取模块根据所述温度参数，从与所述材料参数相对应的本专利技术第一方面提供的所述的一种材料应力应变本构关系的数值表征方法中的应力应变数值化模型中，求出与所述温度、所述材料对应的应力应变关系。本专利技术的方法与系统，对材料实际的拉伸力学性能进行测量，运用数值化模型对实际测量的应力应变曲线进行模拟，保证了数值化模型趋势的吻合性和误差量，使得建立的数值化模型更加符合材料的力学性能，为压力容器设计、机械零件的设计提供了可靠的依据；对于不同国家的材料都能通过实际测量物理性能参数后适用。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例的流程示意图；图2为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例的流程示意图；图3为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例的流程示意图；图4为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例的流程示意图；图5为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例的流程示意图图6为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的材料试样结构示意图；图7为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的拉伸模型示意图；图8为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的奥氏体不锈钢S31608弹性模量的拟合结示意图；图9为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的100℃拉伸曲线拟合结果示意图；图10为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的模型参数拟合结果示意图；图11为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的模型参数拟合结果示意图；图12为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的模型参数拟合结果示意图；图13为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的应力应变曲线拟合结果示意图；图14为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的弹性模量拟合结果示意图；图15为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的屈服强度拟合结果示意图；图16为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的模型参数拟合结果示意图；图17为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的模型参数拟合结果示意图；图18为本专利技术的应力应变本构关系数值表征方法一个实施例中的应力应变曲线拟合结果示意图；图19为本专利技术的材料应力应变本构关系的数值表征系统结构示意图。具体实施方式材料拉伸曲线数值化是指采用函数关系式的方法对材料的应力-应变关系进行数学拟合。试验表明，大多数的压力容器材料在拉伸过程中具有显著的应变强化特性，在压力容器分析设计时对结构进行弹-塑性分析可以充分利用材料应变强化性能，更加合理的评价压力容器的承压能力。但是，由于没有相应数据的规范标准，长期以来，材料的弹-塑性分析方法很少被人们使用。标准中基础数据的缺失在一定程度上制约了压力容器分析设计水平的发展。本专利技术通过在压力容器材料拉伸试验的基础上，提出适用材料的应力-应变本构关系模型，完成对材料拉伸曲线的数值化表征，从而求出材料应力应变本构关系。如图1所示，本专利技术提供的一种材料应力应变本构关系的数值表征方法，从材料的本身特性出发，通过拉伸试验确定应力应变数据，建立曲线，选择相应模型对曲线进行拟合，求出模型参数，从而确定数值化模型的确切公式表达，其具体包括，S101设定试验参数，所述试验参数包括试样温度。S102根据所述试验参数对材料进行拉伸试验，获取所述材料的拉伸试验数据，所述拉伸试验数据包括应力数据和应变数据。S103根据所述应力数据和所述应变数据建立应力-应变曲线。S104根据所述材料的属性，选择对应的应力-应变数值化模型，对所述材料的应力-应变曲线进行拟合，求出所述应力-应变数值化模型中的参数，这样，通过在设定温度下测量材料的实际力学拉伸应力应变曲线，采用数值化模型对其模拟，求出模型中的参数，这时数值化模型参数完备，运用此模型能够更好地表征出所述材料在设定温度下的力学性能，从而在将来设计压力容器或者设计机械零件时提供可靠的力学设计标准。本专利技术提供的一种材料应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料应力应变本构关系的数值表征方法，包括，a)设定试验参数，所述试验参数包括试样温度T；b)根据所述试验参数对材料进行拉伸试验，获取所述材料的拉伸试验数据，所述拉伸试验数据包括应力数据和应变数据；c)根据所述应力数据和所述应变数据建立应力‑应变曲线；d)根据所述材料的属性，选择对应的应力‑应变数值化模型，对所述材料的应力‑应变曲线进行拟合，求出所述应力‑应变数值化模型中的参数。

【技术特征摘要】
2016.04.20 CN 20161024922111.一种材料应力应变本构关系的数值表征方法，包括，a)设定试验参数，所述试验参数包括试样温度T；b)根据所述试验参数对材料进行拉伸试验，获取所述材料的拉伸试验数据，所述拉伸试验数据包括应力数据和应变数据；c)根据所述应力数据和所述应变数据建立应力-应变曲线；d)根据所述材料的属性，选择对应的应力-应变数值化模型，对所述材料的应力-应变曲线进行拟合，求出所述应力-应变数值化模型中的参数。2.如权利要求1所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤d)包括，当所述材料为具有明显屈服阶段的材料时，选择所述应力-应变数值化模型为，c＝-10tanh(T-Ts)+10.55，式中Ts表示拉伸曲线屈服平台消失的最低温度，a、b为所述应力-应变数值化模型中的参数。3.如权利要求1所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤d)包括，当所述材料为不具有明显屈服强度的材料时，选择所述应力-应变数值化模型为，式中a、b、d为所述应力-应变数值化模型中的参数。4.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，还包括，设定不同的温度，重复步骤b)、c)、d)获取不同的温度下所述材料的应力-应变曲线和应力-应变数值化模型中的参数。5.如权利要求4所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，还包括，e)根据不同温度下获取的应力-应变数值化模型中的参数，建立参数温度曲线，根据所述参数温度曲线拟合出参数温度模型。6.如权利要求4所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述应力-应变数值化模型中的参数有多个，所述测算方法还包括，选定所述应力-应变数值化模型中的参数中的一个参数，f)建立参数温度曲线，拟合出参数温度模型，将所述不同温度代入到所述参数温度模型中，求出所选定的所述参数在不同温度下的拟合值，将所述拟合值代入到所述材料的应力-应变数值化模型中，运用已代入所述拟合值的所述材料的应力-应变数值化模型对所述应力应变曲线进行拟合，求出不同温度下所述材料的应力-应变数值化模型中的其余参数；从所述应力-应变数值化模型中的其余参数中选定一个，实施步骤f)，直至求出所有所述应力-应变数值化模型中的参数。7.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述应力-应变数值化模型中包括弹性模量参数，根据离散温度下的弹性模量值，建立弹性模量温度关系图，根据所述弹性模量温度关系图拟合出弹性模量温度曲线，求出曲线参数。8.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤c)包括，根据公式σtt＝σ(1+εet)将所述应力数据处理成真实应力数据，式中σtt表示拉伸试验中t时刻的真实应力，σ表示所述拉伸试验中测量的应力数据，εet表示拉伸试验中t时刻的测量到的应变数据；根据公式εt＝ln(1+εe)将所述应变数据处理成真实应变数据，式中εt表示真实应变，εe表示工程应变；对所述材料屈服阶段和/或应变强化阶段的真实应力进行如下处理：σs＝σt·K(T)，式中K(T)表示标准化系数，式中σRp0.2(standard)表示所述材料的标准屈服应力，σRp0.2(test)表示所述材料在拉伸试验中的屈服应力σ0.2经过如下公式，σRp0.2(test)＝σ0.2(1+εet)，转换成的真实应力。9.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述试验参数还包括，试样要求、应变速率、数据采集的频率以及应变范围，所述步骤b)中还包括，选定所述材料进行拉伸试验的试样的直径；在所述试样上标记出所述试样的材料号；在试样每间隔一段距离做出标记；对拉伸试验前的所述试样的直径进行多次测量求出平均值，计算所述试样的横截面积。10.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤b)中的拉伸试验采用匀速拉伸，在应变范围为0～7.5％时，用应变速率控制试验速率，使用引伸计测量所述拉伸试验的应变速率；在应变范围大于7.5％时，以横梁位移速率来控制试验速率，横梁位移速度根据来确定，式中为拉伸速率，Le为横梁位移，ve为横梁位移速率。11.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述测试温度范围为20℃～700℃。12.如权利要求9所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述试样的直径为φ10mm。13.如权利要求9所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述在试样每间隔一段距离做出标记的步骤包括：设定试样的原始标距L0＝50mm，采用划线仪在所述试样上每10mm做一个标记，所述划线仪的标距精度≤±1％(L0)。14.如权利要求10所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤b)中的拉伸试验的温度为10℃～35℃，所述拉伸速率设定为15.如权利要求10所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤b)中的拉伸试验的温度为100℃以上，加热所述试样到预定温度，使试样保持在所述预定温度至少10分钟，所述拉伸速率设定为16.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤c)还包括根据所述材料在所述温度下的标准应力值Rp0.2，通过下式，获取交点(ε，Rp0.2)，在建立所述应力-应变曲线时，使所述应力-应变曲线与所述交点的距离在阈值范围内。17.如权利要求1～3任一所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，所述步骤c)还包括根据所述材料在所述温度下的标准应力值Rp0.2，通过下式，获取交点(ε，Rp0.2)，在建立所述应力-应变曲线时，将所述交点的坐标加入到所述步骤b)中的所述应力数据和所述应变数据中，根据所述应力数据、所述应变数据和所述交点的数据建立所述应力-应变曲线，对所述应力数据、所述应变数据和所述交点的数据作用上拟合权重值，所述交点的数据对应的拟合权重值的拟合权重大于所述应力数据和所述应变数据对应的拟合权重的拟合权重。18.如权利要求2所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其特征在于，还包括，设定不同的温度，重复步骤b)、c)、d)获取不同的温度下所述材料的应力-应变曲线和应力-应变数值化模型中的参数a，b，根据不同温度下对应的参数a，b进行拟合，获取参数a对应的参数温度模型，获取参数b对应的参数温度模型。19.如权利要求18所述的材料应力应变本构关系的数值表征方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：寿比南，陈朝晖，朱国栋，尹立军，钱才富，魏安鹏，李光海，
申请(专利权)人：中国特种设备检测研究院，锅容标北京技术服务中心有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11