一种仪器化冲击试验力-位移修正方法技术

本发明专利技术公开了一种仪器化冲击试验力

【技术实现步骤摘要】
14556
‑
2015 Metallic materials—Charpy V
‑
notch pendulum impact test—Instrumented test method》以及《ASTM E2298
–
18 Standard Test Method for Instrumented Impact Testing of Metallic Materials》。三者所采用的计算公式均为
[0007][0008]s(t)＝∫
0t
v(t)dt
[0009]其中t为时间自变量，v(t)为t时刻摆锤速度，v0为摆锤初始撞击速度，M为摆锤有效撞击质量，F(t)为t时刻撞击力大小，s(t)为t时刻摆锤位移。可以看到，在这一计算过程中有关摆锤锤刃和砧座的参数并未出现。一般来说，在相关标准中对于砧座以及锤刃的要求都仅限于其硬度不低于45HRC，而实际上一般的冲击试验机生产厂家普遍都会将其提高至50HRC以上。这种高硬度的要求固然会使得锤刃和砧座在实验过程中变形较小，相应地在冲击过程中吸收的能量较少，也正因此，上述三个试验方法的规范都选择忽略摆锤锤刃和砧座对于实验结果的影响。
[0010]但事实上，从定性分析上来说，在能量上，锤刃与砧座的非绝对刚体这一属性使得锤刃和砧座的受力形变有着吸收能量的效果，导致测量结果与试样韧性真实值相比偏大；在位移上，会导致计算得出的位移数据是试样挠度和砧座受力形变以及锤刃同试样接触形变的总和，继而影响到所有的位移特征值的计算，如屈服位移S<br/>gy
、不稳定裂纹扩展起始位移S
iu
′
、不稳定裂纹扩展终止位移S
a
、最大力时的位移S
m
和总位移S
t
以及某些力特征值，如屈服力值F
gy
的评定，进而影响到对应的能量特征值的评定，如最大力时的能量W
m
、不稳定裂纹扩展起始能量W
iu
、不稳定裂纹扩展终止能量W
a
以及总冲击能量W
t
。
[0011]目前，没有针对锤刃与砧座柔度对仪器化夏比冲击试验结果的影响的完整研究以及补偿方法，有关于锤刃与砧座的柔度测量，无论是手段还是数据，也都处于缺失状态。针对这一缺失，本专利技术提供一整套针对锤刃与砧座柔度所造成的冲击功测量误差进行修正的方法，以及相应的试验方法，包括一种砧座柔度测量方法，一种锤刃的柔度计算方法，以及针对锤刃与砧座柔度对不同能级冲击试样所造成的冲击功测量误差进行修正的算法，以修正仪器化冲击试验所测得的冲击功，对材料冲击韧性进行更高精度的测量。

技术实现思路

[0012]针对目前关于仪器化冲击试验中锤刃与砧座柔度对位移计算和冲击功测量结果影响没有给予考虑的问题，本专利技术提供了一整套针对锤刃与砧座柔度所造成的位移计算及冲击功测量误差进行修正的方法。该方法提出一种接触柔度的表达公式，依据有限元法获得此公式中的具体参数，以此为依据，修正锤刃在冲击过程中形变所导致的位移误差；提出一种直接测量砧座柔度的方法(直接法)及装置，测量并得出砧座与试样的接触柔度公式，以此为依据，修正砧座在冲击过程中形变所导致的位移误差。对于两种断裂类型试样提出具有针对性的基于砧座和锤刃接触柔度的位移修正方法。
[0013]具体地，本专利技术(一种仪器化冲击试验力
‑
位移修正方法)的实施步骤如下：
[0014]步骤1：通过有限元方法得到锤刃与试样的接触柔度。根据锤刃尺寸和标准V型冲击试样尺寸进行3D建模(标准试样参考国标GB/T 229及欧标ISO 148
‑
1中对锤刃和试样尺寸的相关规定)，之后在有限元仿真分析模块中划分网格(建议网格尺寸不大于1mm)，设定
边界条件为试样固定，锤刃只能够沿冲击方向移动。对锤刃进行加载，以500N为一级，对多级载荷进行多次模拟，绘制形变
‑
受力图(图2)，得到锤刃形变δ
an
与受力F间的关系，δ
ss
(F
ss
)；
[0015]步骤2：采用施力装置和激光干涉仪测量砧座柔度。按照图3，图4架设砧座柔度测试设备：串联安装支撑挡板(支撑物)、力传感器、施力油泵、施力传递杆等。在施力传递杆和砧座的接触位置放置激光反射镜，局部效果如图5所示。使用施力油泵进行加力，力值每增加500N，记录一次激光干涉仪测得的位移数据和力传感器测得的力值数据，而后绘制形变
‑
受力图(图6)，得到砧座形变δ
an
与受力F间的关系，δ
an
(F
an
)；
[0016]步骤3：依据标准对标准V型冲击试样进行仪器化夏比摆锤冲击试验，得到试验过程中摆锤冲击试样过程中的力值数据，并根据标准中所提供的公式，即
[0017][0018]s(t)＝∫
0t
v(t)dt
[0019]进行计算，得到未修正的冲击过程力
‑
位移图。
[0020]步骤4：依据公式
[0021]F
an
(t)＝F
up
(t)+F
low
(t)
‑
F
st
(t)
[0022]和公式
[0023]F
an
(t)＝2
×
F
ne
(t)
‑
F
st
(t)
[0024]对砧座受力F
an
进行计算；
[0025]步骤5：依据公式
[0026][0027]对砧座和锤刃形变进行修正。根据计算的修正后数据，重新绘制仪器化冲击试验所得的力
‑
位移曲线。
[0028]本方法同样适用于非标准冲击试样。
[0029]本专利技术具有如下优势：
[0030]1、相比于传统方法中将砧座和锤刃视为绝对刚体的作法，本专利技术将锤刃和砧座视为弹性体，在原理上更为接近真实情况。
[0031]2、对于以前未曾被研究过的砧座与锤刃的自身柔度对仪器化冲击试验试验结果的影响，本专利技术提供了一种能够修正二者的计算方法，使得所得到的实验结果更加接近真实，修正后的数据更加科学合理。
[0032]3、本方法实用可靠、简便可行，是在不改造仪器、不影响实验本身的情况下所进行的试验结果修正。
附图说明
[0033]图1：锤刃和试样接触形变的有限元仿真图。
[0034]图2：不同受力下的锤刃形变和锤刃与试样总形变的仿真结果。
[0035]图3：砧座柔度测量系统实物图(力值测量部分)。
[0036]图4：砧座柔度测量系统实物总图。
[0037]图5：激光入射位置示意图。
[0038]图6：砧座柔度测量结果图。
[0039]图7：锤刃、试样和砧座各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仪器化冲击试验力
‑
位移修正方法，其特征在于：该方法的实施步骤如下：步骤1：通过有限元方法得到锤刃与试样的接触柔度；根据锤刃尺寸和标准V型冲击试样尺寸进行3D建模，之后在有限元仿真分析模块中划分网格，设定边界条件为试样固定，锤刃只能够沿冲击方向移动；对锤刃进行加载，以500N为一级，对多级载荷进行多次模拟，绘制形变
‑
受力图，得到锤刃形变δ
an
与受力F间的关系，δ
ss
(F
ss
)；步骤2：采用施力装置和激光干涉仪测量砧座柔度；串联安装支撑挡板、力传感器、施力油泵、施力传递杆；在施力传递杆和砧座的接触位置放置激光反射镜；使用施力油泵进行加力，力值每增加500N，记录一次激光干涉仪测得的位移数据和力传感器测得的力值数据，而后绘制形变
‑
受力图，得到砧座形变δ
an
与受力F间的关系，δ
an
(F
an
)；步骤3：依据标准对标准V型冲击试样进行仪器化夏比摆锤冲击试验，得到试验过程中摆锤冲击试样过程中的力值数据，并根据标准中所提供的公式，即摆锤冲击试样过程中的力值数据，并根据标准中所提供的公式，即进行计算，得到未修正的冲击过程力
‑
位移图；其中v(t)为摆锤在冲击过程中的速度，s(t)为摆锤在冲击过程中的位移，t为时间(自变量)，M为摆锤有效撞击质量，v0为初始摆锤冲击速度；步骤4：依据公式F
an
(t)＝F
up
(t)+F
low
(t)
‑
F
st
(t)和公式F
an
(t)＝2
×
F
ne
(t)
‑
F
st
(t)对砧座受力F
an
进行计算；F
an
为砧座受力，F
ss
为锤刃受力；F
up
为上限沿的值，F
low
为下限沿的值，F
st
为锤刃所受力，F
ne
是中性线的值；步骤5：依据公式对砧座和锤刃形变进行修正；根据计算的修正后数据，重新绘制仪器化冲击试验所得的力
‑
位移曲线；δ
an
(F)为砧座柔度，δ
ss
(F)为试样与锤刃的接触柔度，下标为第i和第i+1个数据点；式中s为摆锤在冲击过程中的位移。2.根据权利要求1所述的一种仪器化冲击试验力
‑
位移修正方法，其特征在于：位移测量每次测量前，需要调整激光反射镜的固定位置，使之紧贴砧座，因为在加力卸力循环过后，激光反射镜的位置相对于施力传递杆会有一定的变化，二者间会有空隙产生；激光反射镜的位置贴紧砧座，并且在激光反射镜上的激光射入位置应和砧座倒角处对齐，砧座的柔度体现在其倒角位置的受力
‑
位移关系。3.根据权利要求1所述的一种仪器化冲击试验力
‑
位移修正方法，其特征在于：对步骤1和步骤2中柔度测量数据进行拟合时，采用如下形态的拟合公式
δ(F)＝a
×
atan(b
×
F)+c
×
F其中δ为砧座或锤刃的形变，a，b和c为拟合待定系数；这一拟合公式有着比较好的拟合效果。4.根据权利要求1所述的一种仪器化冲击试验力
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天吴，骆昕，刘嘉靖，韩超，陈龙，闫瑞，汪宁溪，高建卓，陈雪，赵强，张宏宇，
申请(专利权)人：北京市计量检测科学研究院，
类型：发明
国别省市：