宋 明， 王文慧， 吳 瓊， 曹宇光， 杜傳勝

（中國石油大學(xué)（華東）a． 儲運與建筑工程學(xué)院；b． 海洋與空間信息學(xué)院；c． 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

小沖桿實驗方法［1-4］（Small Punch Test，SPT）是一種微試樣實驗技術(shù)。目前該技術(shù)無論是實驗操作還是有限元理論模擬都已經(jīng)日趨成熟［5，6］，它利用尺寸極其微小的試樣對服役材料進行失效分析和壽命預(yù)測，分析測試材料的基本力學(xué)性能，包括屈服強度、抗拉強度、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性和蠕變性能等［7-9］；國內(nèi)外研究者也提出了多種含有損傷參數(shù)的小沖桿實驗有限元模型，典型的如含有連續(xù)介質(zhì)損傷（Gurson-Tvergaard-Needleman，GTN）模型參數(shù)的小沖桿實驗?zāi)Ｐ停?］。隨著國家新工科教育理念的提出與推廣，該實驗已作為創(chuàng)新型實驗逐步引入大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，通過該實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生更形象、深刻地學(xué)習(xí)和理解力學(xué)中材料大變形、非線性接觸、摩擦、應(yīng)變強化、連續(xù)介質(zhì)損傷等問題。Matlab ／ GUI 是一種新型的圖形用戶界面開發(fā)方式，通過此界面可以方便地實現(xiàn)用戶的一些特定操作需求，簡單易學(xué)且功能強大。既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的圖形化結(jié)果以人機交互的動態(tài)方式呈現(xiàn)給用戶，使用者不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的代碼，只需了解具體操作步驟，即可方便地操作界面［10-13］。

本文設(shè)計并建立了一種基于Matlab ／ GUI 和Abaqus的小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用虛擬平臺。該平臺包括學(xué)習(xí)和應(yīng)用兩個模式，不僅可以實現(xiàn)學(xué)生對小沖桿實驗理論基礎(chǔ)的自學(xué)，了解小沖桿實驗過程，還可以通過平臺應(yīng)用模式，直接啟用Abaqus 進行有限元模擬，分析不同參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。使用者只需將程序下載至電腦即可使用，操作簡單；也可以通過進一步修改m程序文件，實現(xiàn)對實驗平臺的再開發(fā)。此過程不僅能夠加深學(xué)生對實驗的認識，還可提高其編程能力。該實驗平臺的人機交互性不僅使實驗容易理解，激發(fā)學(xué)生對小沖桿實驗方法研究的濃厚興趣，更加突破了傳統(tǒng)實驗對時間、空間的限制，提高了實驗效率。

1 實驗平臺整體架構(gòu)

小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺結(jié)構(gòu)與主要功能如圖1 所示。該平臺有學(xué)習(xí)和應(yīng)用兩種模式。學(xué)習(xí)模式又包含理論基礎(chǔ)和實驗操作兩大模塊，應(yīng)用模式包括與Abaqus交互的小沖桿實驗有限元模擬模塊和各種參數(shù)對實驗結(jié)果分析影響模塊；理論基礎(chǔ)包括實驗背景、定義、目的、優(yōu)勢、原理、進展和實驗裝置認識［14-15］。實驗操作分為：取樣、試樣加工、加載測試、獲得曲線、數(shù)據(jù)處理5 個步驟。有限元分析操作主要有修改inp文件相關(guān)參數(shù)、提交計算、查看結(jié)果。參數(shù)影響分析模塊采用控制變量法，分別賦予試樣厚度、沖頭直徑、沖桿速度、下模具孔徑、材料彈性模量以及泊松比6 種參數(shù)不同的值，使實驗的載荷位移曲線產(chǎn)生變化，得出各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。實驗平臺所有界面均使用Matlab GUI工具箱設(shè)計，通過編寫回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)相關(guān)功能。

圖1 小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺結(jié)構(gòu)與功能示意圖

2 GUI的小沖桿實驗與應(yīng)用平臺的實現(xiàn)

2.1 主界面設(shè)計

小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺的主界面如圖2 所示，其特點為設(shè)計簡潔，操作明了。主界面由標(biāo)題、封面圖片、模式選擇、“OK”按鈕和“EXIT”按鈕組成，使用到的組件為Static Text、Axes、Pushbutton 和Popupmenu控件，主要實現(xiàn)模式選擇功能。用戶首先選擇一種模式，點擊“OK”按鈕，系統(tǒng)進入相應(yīng)的模式界面，該功能通過回調(diào)函數(shù)的switch-case 語句實現(xiàn)。主界面右下角的“EXIT”按鈕用來退出并關(guān)閉實驗平臺的運行，其回調(diào)函數(shù)為：clear；close（gcf）。

圖2 小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺主界面

2.2 學(xué)習(xí)模塊設(shè)計

學(xué)習(xí)模塊包括理論基礎(chǔ)與實驗過程。操作者首先進入理論基礎(chǔ)界面，如圖3（a）所示，其中理論基礎(chǔ)包含“背景”“定義”“目的”“優(yōu)勢”“原理”“進展”和“裝置”7 個內(nèi)容。分別點擊前6 個按鈕，在空白框中展現(xiàn)相應(yīng)的介紹；點擊“裝置”按鈕，將進入實驗裝置認識界面，可分別選擇“類型說明”“剖面圖”和“三維圖”實現(xiàn)多角度認識裝置。

以“目的”為例，顯示相應(yīng)文本的回調(diào)函數(shù)如下：

function pushbutton3_Callback（hObject，eventdata，handles）

str1 ＝［＇基于‘無損取樣’的概念，通過“小沖桿試樣方法”，檢測、評價材料狀況以及預(yù)測其剩余壽命等。＇，10］；%文本內(nèi)容

圖3 小沖桿實驗理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)界面

set（handles． edit1，＇string＇，str1，＇FontSize＇，12，＇ForegroundColor＇，＇b＇）；%輸出文本

理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)完畢后，點擊如圖3（b）所示的“NEXT”，即可進入小沖桿實驗過程界面，如圖4所示。

圖4 小沖桿實驗過程界面

通過左上角的“實驗步驟”下拉菜單，即可學(xué)習(xí)取樣、試樣加工、加載測試、獲得曲線、數(shù)據(jù)處理5 個過程。其中加載變形分析界面如圖5 所示，可以實現(xiàn)裝置的組裝，沖桿的動態(tài)加載以及顯示加載過程中試樣的變形和內(nèi)部應(yīng)力分布動態(tài)演化示意圖。

圖5 小沖桿實驗過程加載變形分析界面

為實現(xiàn)視頻播放，首先應(yīng)添加Windows Media Player視頻播放控件，然后通過回調(diào)函數(shù)控制視頻的讀取與播放。視頻讀取與播放的回調(diào)函數(shù)如下：

function pushbutton2_Callback（hObject，eventdata，handles）

url2 ＝ ＇D：＼SPT INFORMATION＼E． avi＇；%讀取視頻

set （handles． activex1，＇URL ＇，url2）；% 用Windows Media Player播放視頻

另外，小沖桿實驗裝置認識界面的按鈕組選擇回調(diào)函數(shù)如下：

function uibuttongroup1 _ SelectionChangedFcn （hObject，eventdata，handles）

str ＝get（hObject，＇string＇）；%拿到所選按鈕的名稱

axes（handles． axes1）；

switch str

case ＇類型說明＇

cla reset；

axis on；

a ＝imread（＇D：＼SPT INFORMATION ＼ A． png＇）；%讀取類型圖圖片

imshow（a）；%圖片顯示

axis off；

size（a）；

hold on；

set（handles． edit1，＇visible＇，＇on＇）；

str1 ＝ ［＇說明：1—整體式?jīng)_桿；2—試樣；3—上夾具；4—下夾具；5—分體式?jīng)_桿；6—分體式?jīng)_頭。＇，10］；

set（handles． edit1，＇string＇，str1，＇FontSize＇，12，＇ForegroundColor＇，＇b＇）；

case ＇剖面圖＇

cla reset；

axis on；

b ＝imread（＇D：＼ SPT INFORMATION ＼ B． png＇）；%讀取剖面圖圖片

imshow（b）；

axis off；

size（b）；

hold on；

set（handles． edit1，＇visible＇，＇on＇）；

str1 ＝［＇此MEA測試夾具由五部分組成，包括環(huán)形柱1、壓緊件2、底座3、頂蓋4和小沖桿5。＇，10］；

set（handles． edit1，＇string＇，str1，＇FontSize＇，12，＇ForegroundColor＇，＇b＇）；

case ＇三維圖＇

cla reset；

set（handles． edit1，＇visible＇，＇off＇）；

axis on；

c ＝imread（＇D：＼ SPT INFORMATION ＼ C． png＇）；%讀取三維圖圖片

imshow（c）；

axis off；

size（c）；end

2.3 應(yīng)用模塊設(shè)計

小沖桿實驗應(yīng)用模式包括Abaqus 交互模塊和參數(shù)分析模塊，Abaqus交互模塊第1 部分介紹了國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范參數(shù)；第2 部分則為Matlab與Abaqus的聯(lián)合應(yīng)用，通過修改inp文件連接平臺與Abaqus數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了由實驗平臺提交數(shù)據(jù)，Abaqus進行計算，最終實時得到小沖桿實驗有限元模擬結(jié)果的功能。參數(shù)分析模塊如圖6 所示。首先用戶在左側(cè)按鈕選擇一種分析參數(shù)，包括試樣厚度、沖頭直徑、沖桿速度、下模具孔徑、材料彈性模量和泊松比，文本框中將實時顯示除控制變量外其余參數(shù)的取值，然后在下拉菜單中選擇該研究參數(shù)的具體取值并提交進行計算，最終繪制得到相應(yīng)的載荷位移曲線，進而分析各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。

圖6 小沖桿實驗應(yīng)用模式參數(shù)分析模塊界面

經(jīng)分析可知，試樣厚度的選取要和試樣的直徑相協(xié)調(diào)，同時考慮尺寸效應(yīng)［16］，試樣厚度越大，相同位移下所需的載荷越大。沖頭直徑尺寸不同，載荷-位移曲線的高低差異很大，因此在小沖桿實驗研究中，沖頭直徑必須闡明。小沖桿實驗的載荷-位移曲線對下模具孔徑相當(dāng)敏感，下模具孔徑的不同，直接影響相同沖桿位移條件下的最大載荷值，下模具孔徑越小，相同位移下所對應(yīng)的載荷越大。材料的彈性模量、泊松比直接影響載荷-位移曲線的形狀，因而可用小沖桿實驗載荷位移曲線分析不同材料的力學(xué)性能。

其中，為實現(xiàn)實驗平臺直接提交inp 文件供Abaqus計算的功能而編寫的調(diào)用函數(shù)［17，18］如下：

% runabaqus． m

function ［output_args ］ ＝runabaqus（Path，InpFile，cpus）

inputFile ＝ ［＇abaqus job ＝ ＇，InpFile，＇ cpus ＝ ＇，cpus］；

t0 ＝tic；%開始計時

MatlabPath ＝pwd（）；%記下當(dāng)前Matlab目錄

cd（Path）；%進入inp文件所在目錄

［output_args ］＝system（inputFile）；%通過系統(tǒng)調(diào)用，運行Abaqus，提交inp文件

pause（3）；%暫停3 s

cd（MatlabPath）；%返回Matlab目錄

if （exist（［Path，＇’，InpFile，＇． lck＇］，＇file＇）＝ ＝2）%若提交成功

H ＝dialog（＇name＇，＇提示＇，＇position＇，［200 300 400 100］）；

uicontrol（＇parent＇，H，＇style＇，＇text＇，＇string＇，＇已提交，正在計算…請等待。＇，＇position＇，［20 40 350 20］，＇fontsize＇，12）；%彈出提交成功的提示對話框

while exist（［Path，＇’，InpFile，＇． lck＇］，＇file＇）＝ ＝2 %提交成功

t ＝toc（t0）；

h ＝fix（t／ 3600）；

m ＝fix（mod（t，3600）／ 60）；

sec ＝fix（mod（mod（t，3600），60））；

pause（1）；

fprintf（＇----------ABAQUS calculating----------＼ n time costed

% d：% d：% d＼n＇，h，m，sec）；%輸出已計算時間

end

delete（H）；

H ＝dialog（＇name＇，＇提示＇，＇position＇，［200 300 400 100］）；%計算完成對話框

uicontrol（＇parent＇，H，＇style＇，＇text＇，＇string＇，＇計算完成?。Вosition＇，［20 40 350 20］，＇fontsize＇，12）；

pause（3）；

delete（H）；

else %若提交不成功

h ＝errordlg（＇提交失敗，計算錯誤！＇，＇警告＇）；%彈出警告對話框，提示提交失敗

ha ＝get（h，＇children＇）；

ht ＝findall（ha，＇type＇，＇text＇）；

set（ht，＇fontsize＇，12）；

end

3 平臺的測試驗證與再開發(fā)

通過mcc -m SPT1． m SPT2． m SPT3． m SPT4． m SPT5． m SPT6． m SPT7． m SPT8． m SPT10． m runabaqus．m語句便可將設(shè)計好的小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺編譯為可獨立運行的． exe 應(yīng)用程序。經(jīng)整理，最終形成“SPT軟件包”文件夾，用戶只需按照文件夾中的安裝說明完成平臺安裝即可使用。

利用小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺對實驗下模具孔徑及試樣厚度進行分析，得到的不同下模具孔徑和試樣厚度的載荷位移曲線如圖7 所示。可以發(fā)現(xiàn)隨著孔徑尺寸的進一步增大，如圖7（a）所示，得到的最大載荷也逐漸增大，但對實驗曲線的第一部分并沒有明顯影響。而圖7（b）的結(jié)果顯示，隨著試樣厚度逐漸增大，實驗曲線各個階段都呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。

圖7 小沖桿實驗有限元仿真分析結(jié)果

通過在多臺計算機安裝測試以及教學(xué)實踐，眾多學(xué)生使用反饋表明：小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺操作簡單，內(nèi)容豐富，實用性強，達到了對未接觸過小沖桿實驗學(xué)生前期學(xué)習(xí)小沖桿實驗的教學(xué)目的。

該實驗平臺基于Matlab 語言設(shè)計，故通過繼續(xù)修改或編寫m程序文件，即可實現(xiàn)對實驗平臺的再開發(fā)與推廣。一方面可以向小沖桿實驗測量材料其他力學(xué)性能，如蠕變、斷裂韌性、損傷參數(shù)等多個方向進行開發(fā)，完善小沖桿實驗平臺內(nèi)容；另一方面，可以從建立小沖桿實驗與其他力學(xué)實驗相關(guān)聯(lián)的方向進行開發(fā)，逐漸建立一個更完整更全面的虛擬實驗平臺。

4 結(jié) 語

基于Matlab ／ GUI和Abaqus開發(fā)的小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用虛擬平臺，實現(xiàn)了小沖桿實驗教學(xué)工作的直觀、高效和經(jīng)濟性，不僅可以使學(xué)生充分學(xué)習(xí)小沖桿實驗中包含的基礎(chǔ)力學(xué)理論知識，為進一步研究工作打好基礎(chǔ)，并通過對交互性應(yīng)用界面的探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與科研的興趣。通過實驗平臺的長期運行與補充，可知本文所開發(fā)的小沖桿實驗學(xué)習(xí)與應(yīng)用平臺具有設(shè)計簡單、可再開發(fā)性強、操作人性化等優(yōu)點。