单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法制造技术

本发明专利技术公开了一种单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法，涉及材料力学性能测试技术领域，它包括获取载荷

【技术实现步骤摘要】
单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法


[0001]本专利技术涉及材料力学性能测试
，具体涉及一种单向加载下构元试样 的等效应力、等效应变直接试验法。

技术介绍

[0002]材料的应力应变关系、弹性模量、屈服强度、抗拉强度等是实现结构完整性 分析的基础力学关系与性能，建立不同构元试样弹塑性变形响应与材料力学性能 之间的关联对于结构设计与安全评价至关重要。获取材料单轴本构关系的通常做 法是从工程结构或母材上截取厘米级的标准单轴拉伸试样在试验室开展拉伸试 验。目前针对各类毫微测试构元，主要存在4种技术路线获取材料基本力学性能。
[0003]经验关联法：基于大量标准拉伸试验和小尺寸构元试样试验结果，建立关联 大尺寸标准拉伸试样获取的材料屈服强度、抗拉强度与小尺寸构元试样加载的屈 服载荷、极限载荷之间的经验转换关系，这些经验公式难以揭示材料弹塑性变形 行为的本质。
[0004]有限元辅助试验测试法：在有限元中预设材料的单轴等效应力
‑
应变曲线经有 限元分析获取构元试样的模拟载荷
‑
位移曲线，以其试验载荷
‑
位移曲线作为迭代 目标，通过比对模拟载荷
‑
位移曲线和试验载荷
‑
位移曲线调整预设的材料等效应 力
‑
应变曲线。当模拟曲线与试验曲线载荷误差小于设定误差值时，此时预设的应 力
‑
应变曲线即为材料的真实等效应力
‑
应变曲线。此方法是一种试验与有限元分 析相结合的方法，需要结合有限元分析进行迭代计算。
[0005]建立数据库法：借助有限元软件，对不同本构关系参数的材料进行大量有限 元分析建立构元试样载荷
‑
位移关系数据库。对构元试样加载获取试验载荷
‑
位移 曲线，通过与数据库中载荷
‑
位移曲线匹配提取不同应变下的等效应力，采用本构 关系模型绘制完整的应力应变曲线。此方法避免了有限元辅助试验法单次试验进 行有限元迭代的缺点，但建立数据库法同样不能摆脱大量有限元计算。
[0006]解析或半解析法：对于线弹性构元的静力学问题，以卡式定理、虚功原理等 为代表的方法可简单直接地实现杆、梁、裂纹体等问题实现解析求解，而由于其 弹塑性问题涉及材料非线性、边界条件等，解析求解十分困难。针对不同几何尺 寸、不同材料的构元试样建立表征材料本构关系参数、几何尺寸、能量、载荷或 位移之间关系的半解析方程是实现获取材料基本力学性能的有效方法，该方法对 各类典型测试构元具有普适性，但需借助完整载荷
‑
位移曲线所包含的材料信息求 解材料本构关系参数，无法直接依据试验获取的载荷
‑
位移数据点直接获得材料应 力
‑
应变曲线。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种不需要经验公式、迭代 和大量计算，具有普适性，直接依据试验获取的载荷、位移数据点得到材料的应 力
‑
应变曲线的单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法，包括以下步骤：
[0010](1)选择构元试样，并对其进行准静态加载获取试验位移h、载荷P数据， 并按顺序采集N个数据，数据编号取i，第i组位移h、载荷P数据记为(h
i
，P
i
)；
[0011](2)将每组位移h、载荷P数据代入如下公式计算得到等效应变ε
eq
、等效应 力σ
eq
数据，(h
i
，P
i
)对应计算得到的等效应变ε
eq
、等效应力σ
eq
数据记为(ε
eqi
， σ
eqi
)，
[0012][0013]式中，A
*
、h
*
分别为构元试样的特征面积和特征位移；为特征屈服应变；
[0014]k
e
‑5、k
ep
‑5、k
e
‑6、k
ep
‑6均为等效应力、等效应变模型无量纲常数，k
ep
‑
5m
为 k
ep
‑5的均值；线弹性段和弹塑性段为构元试样的两个变形阶段；
[0015](3)回归(ε
eqi
，σ
eqi
)，得到等效应力
‑
应变曲线。
[0016]优选的，步骤(2)中的k
e
‑5、k
ep
‑5、k
e
‑6、k
ep
‑6的值需借助简单有限元分 析确定，步骤为：
[0017](2.1)对构元试样进行有限元分析得到线性载荷
‑
位移曲线，对其回归得到载 荷
‑
位移曲线的斜率，即加载刚度S；
[0018](2.2)取4种特定材料对构元试样进行有限元分析得到载荷
‑
位移曲线，对4 条载荷
‑
位移曲线的弹塑性段进行回归，得到对应不同应变硬化指数n的弹塑性段 加载曲率C和弹塑性段加载指数m；
[0019](2.3)根据如下公式计算得到载荷
‑
位移模型无量纲常数k6‑1、k
ep
‑1、k
ep
‑2、 k3、k4，
[0020][0021]式中，K为应变硬化系数，K＝E
n
σ
y1
‑
n
；h
y
为屈服位移；E为弹性模量；
[0022](2.4)根据如下公式计算得到k
e
‑5、k
ep
‑5、k
e
‑6、k
ep
‑6，
[0023][0024]式中，k
ep
‑5与均值k
ep
‑
5m
之间的误差不超过3％，将k
ep
‑5近似等同k
ep
‑
5m
。
[0025]优选的，步骤(3)中的回归方式为按照Hollomon模型式回归，Hollomon模 型式为：
[0026][0027]式中，σ
y
为名义屈服应力。
[0028]优选的，步骤(1)后还包括步骤：实时判断得到的(ε
eqi
，σ
eqi
)是否位于线 弹性段至弹塑性段的交界点：对(ε
eqi
，σ
eqi
)的数量进行取整，采用INT(0.3i) 至INT(0.7i)对应的(ε
eqi
，σ
eqi
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选择构元试样，并对其进行准静态加载获取试验位移h、载荷P数据，并按顺序采集N个数据，数据编号取i，第i组位移h、载荷P数据记为(h
i
，P
i
)；(2)将每组位移h、载荷P数据代入如下公式计算得到等效应变ε
eq
、等效应力σ
eq
数据，(h
i
，P
i
)对应计算得到的等效应变ε
eq
、等效应力σ
eq
数据记为(ε
eqi
，σ
eqi
)，式中，A
*
、h
*
分别为构元试样的特征面积和特征位移；为特征屈服应变；k
e
‑5、k
ep
‑5、k
e
‑6、k
ep
‑6均为等效应力、等效应变模型无量纲常数，k
ep
‑
5m
为k
ep
‑5的均值；线弹性段和弹塑性段为构元试样的两个变形阶段；(3)回归(ε
eqi
，σ
eqi
)，得到等效应力
‑
应变曲线。2.如权利要求1所述的单向加载下构元试样的等效应力、等效应变直接试验法，其特征在于，所述步骤(2)中的k
e
‑5、k
ep
‑5、k
e
‑6、k
ep
‑6的值需借助简单有限元分析确定，步骤为：(2.1)对构元试样进行有限元分析得到线性载荷
‑
位移曲线，对其回归得到载荷
‑
位移曲线的斜率，即加载刚度S；(2.2)取4种特定材料对构元试样进行有限元分析得到载荷
‑
位移曲线，对4条载荷
‑
位移曲线的弹塑性段进行回归，得到对应不同应变硬化指数n的弹塑性段加载曲率C和弹塑性段加载指数m；(2.3)根据如下公式计算得到载荷
‑
位移模型无量纲常数k
e
‑1、k
ep
‑1、k
ep
‑2、k3、k4，式中，K为应变硬化系数，K＝E
n
σ
y1
‑
n
；h
y
为屈服位移；E为弹性模量；(2.4)根据如下公式计算得到k
e
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡力勋，韩光照，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：