連續(xù)球壓痕方法因其具有易操作性、非破壞性以及適用于局部薄弱區(qū)域等特點(diǎn)適用于現(xiàn)場(chǎng)在役設(shè)備金屬材料力學(xué)性能的無(wú)損檢測(cè),其結(jié)果的準(zhǔn)確性已得到廣泛認(rèn)可。然而在現(xiàn)場(chǎng)壓痕試驗(yàn)中可能遇到特殊的測(cè)試條件,例如被測(cè)試樣厚度過薄和可壓入的表面區(qū)域受限等,這類試驗(yàn)因素將對(duì)壓痕測(cè)試結(jié)果造成何種影響以及如何消除這類影響是研究人員所關(guān)心的。對(duì)于工程中應(yīng)用較為廣泛的冪硬化和線硬化型金屬材料,如何在壓痕參數(shù)計(jì)算過程中對(duì)這兩類材料進(jìn)行區(qū)分以及如何選擇合適的本構(gòu)關(guān)系對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合同樣值得關(guān)注。因此本文開展了連續(xù)球壓痕試驗(yàn)和有限元仿真研究,分析試驗(yàn)因素和壓痕參數(shù)對(duì)壓痕結(jié)果的影響,并對(duì)冪硬化和線硬化金屬材料拉伸性能的表征過程進(jìn)行研究,得到材料本構(gòu)關(guān)系的判斷與選擇方法。本文對(duì)壓痕參數(shù)表征方法進(jìn)行研究。確定了計(jì)算接觸剛度時(shí)擬合數(shù)據(jù)的選取范圍以及計(jì)算方法:選取每個(gè)卸載段100%⁸5%最大壓痕載荷范圍內(nèi)的壓痕載荷-深度數(shù)據(jù),先根據(jù)Doerner-Nix方法確定參數(shù)初值后再通過Oliver-Pharr方法進(jìn)行擬合,循環(huán)迭代至兩次結(jié)果間的偏差小于設(shè)定誤差后輸出最終結(jié)果;比較分析了不同表征應(yīng)變公式的計(jì)算結(jié)果,得到... 

【文章來(lái)源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

表征應(yīng)力-應(yīng)變法原理

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文-4-的力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為一組表征應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)，并使這一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)與材料的本構(gòu)方程進(jìn)行擬合[37]，比如常見的線彈-冪硬化材料滿足Hollomon關(guān)系，再根據(jù)相應(yīng)準(zhǔn)則計(jì)算材料的拉伸性能。其優(yōu)勢(shì)在于屬于確定性算法分析效率比較高，不依賴于計(jì)算模擬，并且有著充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，因此將在本文進(jìn)行深入討論。1.3.2基于有限元分析的反選分析法如果被測(cè)材料的本構(gòu)關(guān)系比較復(fù)雜，尋求半解析解或經(jīng)驗(yàn)解將面臨巨大困難，基于有限元數(shù)值分析的壓痕試驗(yàn)數(shù)據(jù)反選分析的方法較為適合求解復(fù)雜力學(xué)問題[38-40]。其主要計(jì)算過程為使用有限元數(shù)值仿真向前分析預(yù)先計(jì)算的無(wú)量綱函數(shù)，并將此結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，反復(fù)迭代至兩者相吻合，如圖1-2所示。受益于計(jì)算機(jī)硬件和并進(jìn)計(jì)算的發(fā)展，該方法計(jì)算規(guī)模大導(dǎo)致的低效率問題正得到逐步改善。圖1-2基于FEA的反選分析法的部分邏輯Fig.1-2PartiallogicofinverseanalysisbyFEA1.3.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種常用的非線性統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合壓痕試驗(yàn)的有限元分析結(jié)果對(duì)大量已知壓痕載荷-深度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納，建立起被測(cè)試樣材料壓痕響應(yīng)和力學(xué)參數(shù)間的復(fù)雜映射關(guān)系，其中誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較多被使用，如圖1-3所示。如Sharma[41]等在其研究中為了表征碳錳鋼及不銹鋼的力學(xué)性能，構(gòu)建了六層前饋感知器網(wǎng)絡(luò)，五層由中間神經(jīng)元組成。一旦完成訓(xùn)練，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠同時(shí)兼顧計(jì)算效率和穩(wěn)定性。缺點(diǎn)在于該方法需要結(jié)合足量的學(xué)習(xí)樣進(jìn)行有限元仿真初始化A0=(a1,0,a2,0,….an,0)更新參數(shù)Ai=(a1,i,a2,i,….an,i)比較仿真-壓痕試驗(yàn)誤差輸出提取數(shù)據(jù)≤e>eP-H曲線接觸剛度壓痕形貌…….

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文-5-本、適合的激勵(lì)函數(shù)和合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耗時(shí)的訓(xùn)練，對(duì)于不同材料需要單獨(dú)進(jìn)行訓(xùn)練。圖1-3誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理Fig.1-3Principleofbackpropagationneuralnetwork1.4連續(xù)球壓痕方法的特點(diǎn)1.4.1與單軸拉伸試驗(yàn)的比較與單軸拉伸試驗(yàn)相比，連續(xù)球壓痕法的特點(diǎn)在于：1.被測(cè)試樣制備與測(cè)試性質(zhì)：對(duì)在役設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，單軸拉伸試驗(yàn)需要在受檢區(qū)域進(jìn)行取樣，并遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過機(jī)械加工制備一定尺寸的拉伸件，具有一定破壞性；連續(xù)球壓痕法需要在受檢區(qū)域表面進(jìn)行打磨拋光處理，去除表面氧化層以及降低表面粗糙度，壓痕試驗(yàn)之后被測(cè)表面殘余微米尺寸的凹痕，不影響設(shè)備的繼續(xù)服役，屬于非破壞性測(cè)試。2.材料屬性表征尺度：在拉伸過程中，得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)為有效標(biāo)距內(nèi)材料的平均響應(yīng)，因此得到的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等材料屬性為區(qū)域的平均；連續(xù)球壓痕測(cè)量得到的力學(xué)響應(yīng)來(lái)自壓痕點(diǎn)附近微小體積的材料，具有高分辨率測(cè)試和進(jìn)行屬性映射的優(yōu)點(diǎn)，能夠表征材料局部屬性的分布梯度。例如該方法適用于焊縫附近熱影響區(qū)域材料屬性的測(cè)量，能夠測(cè)量材料屬性的變化梯度，并避免了不規(guī)則形狀對(duì)測(cè)試的限制。3.測(cè)試環(huán)境：?jiǎn)屋S拉伸試驗(yàn)常用的拉伸試驗(yàn)機(jī)大多體積較大而不便于移動(dòng)攜帶，屬于適用于實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)測(cè)試方法；連續(xù)球壓痕檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便攜性能較好，可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。4.測(cè)量方式：?jiǎn)屋S拉伸試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯拥玫奖粶y(cè)材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，從而直接計(jì)算得到材料參數(shù)，屬于直接測(cè)量；連續(xù)球壓痕試驗(yàn)中需要對(duì)壓痕載荷-深度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過特定力學(xué)模型推導(dǎo)出被測(cè)材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再輸入層隱含層輸出層誤差反向傳播信息正向傳播XnYn


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