一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法技术

一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其步骤为：(1)制备焊缝压痕试验试件；(2)在试样垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据所得硬度值进行合理分区；(3)得到不同区域的载荷-深度曲线；(4)建立压痕实验有限元模型并对有限元模型的精度进行验证；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果形成焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型；(6)结合优化遗传算法，根据所选的目标响应函数进行迭代，得到最优解，从而求出焊缝不同区域的静态力学性能参数。本发明专利技术原理简单、操作方便，能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部力学性能参数，拓展了压痕实验的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到机械工程制造中的材料检测领域，特指一种焊缝区域材料力学性能参数的检测方法。
技术介绍
在对金属板材进行焊接过程中，由于电阻热的影响，焊接区域的材料特性会发生变化，这就使该区域的性能也有别于母材，按照硬度的特征可以将焊接区域分成三个子区域母材区、热影响区、焊缝区。由于一般母材的尺寸与热影响区相比足够大，故在以往对此方面的研究中忽略热影响区的材料特性，即在对焊接区域进行有限元数值建模时直接将母材采用共节点连接或者刚性连接，很显然这种情况下不能考虑焊缝处的材料特性，这种建模方法不足以仿真焊接区域处材料的真实力学特性。学者Abdullah等人利用“混合法”在等应变假设的基础上得到焊缝处的参数特性，C. H. Cheng等通过单独对焊缝进行拉伸试验并借用图像处理系统记录拉伸过程中焊缝处真实的应力应变数据，以此得到焊缝的较为真实的力学参数，然而，通过上诉方法得到焊缝区域参数是以该处材料特性的均勻性为前提的，即强化系数或者应变硬化指数均是定值，并且单独对焊缝进行拉伸时，由于该处的宽度较小，会造成不易切割的困难。然而，通过显微硬度试验得知该区域的力学性能参数并非均勻分布，因此根据“混合法”或者单独对其单向拉伸获取的焊缝力学参数与实际情况会有较大的偏差，最后也会影响所研究问题(比如拼焊板结构零件冲压或者碰撞)的有限元模型的精确性，不能满足实际工程的需求。基于此问题，在实际工程中，对焊接结构比如拼焊板进行各种有限元数值仿真时焊缝区域的材料力学特性参数的精确获取就显得尤为重要。从以上描述中可以推测出目前对焊缝区域的参数获取主要集中在其宏观弹塑性力学行为的表征和测试上。由于焊缝区域处本身微观组织结构的复杂性，对于钢铁金属而言，焊缝中间处金相组织包括马氏体和贝氏体，而热影响区有着混合金相组织，既有马氏体、贝氏体，又有铁素体和珠光体，这些不同的金相组织导致了焊缝处不同的材料特性，进一步研究发现此处的力学参数会呈现非均勻性分布，即焊缝、热影响区处会有着梯度变化的参数特征，所以仅通过简单的拉伸或者压缩试验很难确定焊缝区域处的具体力学参数， 并且该处的应力应变关系很难通过常规方法得到，故不能根据曲线拟合的思路对其进行参数反求。材料的硬度主要反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，并不是材料某个力学参数的单独表现。硬度压痕试验(indentation test)为我们提供了测定和评价毫米级、微米级甚至纳米级表征尺寸的材料强度特性，它是一种简单、高效的评价材料尤其是金属或其某点周围表面的力学性能的手段。随着各种表面处理技术的迅速发展，通过压痕试验来测定微小尺度材料的力学参数成为研究的一大热点。在以往的通过压痕试验来获取材料参数的研究工作中，不管是针对传统金属材料还是像泡沫金属这样的新型材料，都是建立在这些材料参数均勻分布的基础上的，通过压痕试验识别检测像焊缝区域这种材料特性具有连续性和不均勻性特点的工程结构的材料参数文献中鲜有报道。鉴于此思路，通过压痕试验得到的载荷深度曲线来反求检测焊缝不同区域处的材料参数成为一种有效的途径。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种原理简单、操作方便、能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部连续性能的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案，其特征在于，步骤为(1)制备焊缝压痕试验试件将试样进行切割、对表面进行打磨、抛光以制成标准试样；(2)对于步骤(1)所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据测得的硬度值进行分区；(3)在所分区域进行压痕试验，得到不同区域的载荷-深度曲线；(4)建立并验证压痕试验有限元模型采用有限元商业软件Abaqus并根据压痕试验的物理过程建立压痕试验有限元模型，该模型是否准确直接影响到求解结果的精度，故必须对压痕试验有限元模型的精度进行验证；首先对均勻母材进行拉伸试验以得到其应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷-深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷-深度曲线；将仿真载荷-深度曲线与试验载荷-深度曲线进行对比以验证压痕试验有限元模型的正确性；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求参数以及待求参数的取值范围，如式(1)所示；(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，需要提前设定的参数有种群大小M,即种群中所含个体的数量，一般取20 100 ；遗传运算的终止迭代次数T，一般取100 500 ；交叉概率P。，一般取0. 4 0. 99;变异概率Pm，一般取0.0001 0.1。根据步骤( 所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到某种收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解。所述步骤(3)中，通过硬度试验得到的硬度值将焊缝结构进行分区，在所分区域进行至少三个压痕试验。所述目标响应函数优化数学模型为下式权利要求1.，其特征在于，步骤为(1)制备焊缝压痕试验试件将试样进行切割、对表面进行打磨、抛光以制成标准试件；(2)对于步骤(1)所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据所得硬度值进行分区；(3)在步骤( 所分区域中进行压痕试验，得到不同区域的载荷-深度曲线；(4)建立并验证压痕试验有限元模型根据压痕试验的物理过程建立压痕试验有限元模型并对压痕试验有限元模型的精度进行验证；在验证过程中，首先对均勻母材进行拉伸试验以得到应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷-深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷-深度曲线；将仿真载荷-深度曲线与试验载荷-深度曲线进行对比以验证压痕试验有限元模型的正确性， 直至得到正确的压痕试验有限元模型；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求力学性能参数以及每个参数的取值范围；(6)结合优化遗传算法，设定运行初值参数，根据步骤( 所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在合适区间下的最优解，从而求出焊缝区域的静态力学性能参数。2.根据权利要求1所述的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于所述步骤(3)中，在所分区域进行至少三个压痕试验。3.根据权利要求1所述的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于所述目标响应函数优化数学模型为下式 式中，Χ1，Χ2，…，I为待求参数，xf,xr (i = 1，2，…η)分别是待求参数的上限和下限，F1-(X1，X2,…，Χ )为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，Kim (X1，X2,…，)为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。全文摘要，其步骤为(1)制备焊缝压痕试验试件本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为：（１）制备焊缝压痕试验试件：将试样进行切割、对表面进行打磨、抛光以制成标准试件；（２）对于步骤（１）所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据所得硬度值进行分区；（３）在步骤（２）所分区域中进行压痕试验，得到不同区域的载荷－深度曲线；（４）建立并验证压痕试验有限元模型：根据压痕试验的物理过程建立压痕试验有限元模型并对压痕试验有限元模型的精度进行验证；在验证过程中，首先围；（６）结合优化遗传算法，设定运行初值参数，根据步骤（５）所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在合适区间下的最优解，从而求出焊缝区域的静态力学性能参数。模型的正确性，直至得到正确的压痕试验有限元模型；（５）根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求力学性能参数以及每个参数的取值范对均匀母材进行拉伸试验以得到应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷－深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷－深度曲线；将仿真载荷－深度曲线与试验载荷－深度曲线进行对比以验证压痕试验有限元...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐峰祥，李光耀，孙光永，付磊，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43