葛宇靜,白春玉,惠旭龍,舒 挽
(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)
航空、船舶、汽車、軌道交通等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)會(huì)受到?jīng)_擊載荷,影響到結(jié)構(gòu)的安全性能。隨著基于接觸沖擊算法的有限元分析軟件的日趨成熟,數(shù)值模擬方法在工程設(shè)計(jì)中扮演了越來越重要的角色。結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問題的研究趨向于“分析驗(yàn)證-試驗(yàn)支持”的積木式方法,材料的力學(xué)性能作為關(guān)鍵參數(shù),是獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的重要前提。
隨著材料萬能試驗(yàn)機(jī)和霍普金森壓桿拉桿裝置的普及,材料在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率范圍下的力學(xué)性能研究較多[1-3],而在中應(yīng)變率范圍下的力學(xué)性能研究很少。高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)具有恒速率、加載穩(wěn)定和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn),被國內(nèi)外學(xué)者[4-7]作為材料的中應(yīng)變率力學(xué)性能研究的試驗(yàn)平臺。由于材料中應(yīng)變率力學(xué)性能測試試驗(yàn)中涉及到結(jié)構(gòu)慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng),試驗(yàn)手段和測試方法的難度相對于準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率較大。白春玉等[4]在試驗(yàn)件的非標(biāo)距段粘貼應(yīng)變片,以非標(biāo)距段應(yīng)變和應(yīng)力關(guān)系來間接計(jì)算拉伸載荷。Huh 等[5]為了精確獲取中等應(yīng)變率測試試驗(yàn)的拉伸載荷,設(shè)計(jì)了專用夾具以減少應(yīng)力波傳播引起的載荷振蕩現(xiàn)象。Xia等[7]在靜夾持的夾具端兩側(cè)粘貼應(yīng)變片,間接測量動(dòng)態(tài)載荷。針對不同的加載速度,中應(yīng)變率力學(xué)性能測試手段和方法不同。
表征材料在中應(yīng)變率范圍下的力學(xué)性能的關(guān)鍵是獲得不同應(yīng)變率下的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。而實(shí)施測試試驗(yàn)時(shí),除了不同的應(yīng)變率工況,還要對每個(gè)應(yīng)變率進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)性試驗(yàn),從中挑選出該應(yīng)變率下的代表性數(shù)據(jù)。同時(shí),低速加載和高速加載所采用的應(yīng)力和應(yīng)變測試方法不同,對應(yīng)的處理過程也不同。因此,從原始數(shù)據(jù)到可表征數(shù)據(jù)所歷經(jīng)的處理與分析工作較多。此外,中應(yīng)變率試驗(yàn)不可避免的載荷振蕩問題也給數(shù)據(jù)處理工作帶來了困難。工程人員需在各種數(shù)據(jù)處理軟件和制圖軟件中往復(fù)切換,較難得到能夠用于本構(gòu)表征的平滑曲線。目前,對材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要體現(xiàn)在本構(gòu)表征方面[8-12],鮮少有文章給出中應(yīng)變率下測試數(shù)據(jù)的具體處理方法。
對于數(shù)據(jù)處理工作效率低下、數(shù)據(jù)處理操作信息不易追溯的問題,設(shè)計(jì)一套專用的數(shù)據(jù)處理與分析軟件,囊括材料中應(yīng)變率試驗(yàn)中涉及的各種載荷和應(yīng)變測試方法以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析方法。按照功能要求將軟件模塊化,各個(gè)模塊環(huán)環(huán)相扣,遵循數(shù)據(jù)處理與分析的邏輯順序。對程序能夠解析并做出響應(yīng)之處采用后臺程序自動(dòng)處理的操作方式,而對需要人為操作處理之處設(shè)計(jì)多種預(yù)留方案,后臺程序自動(dòng)處理和開放人為操作接口之間相互協(xié)調(diào)匹配。本軟件實(shí)現(xiàn)了從原始測試數(shù)據(jù)到本構(gòu)模型參數(shù)之間的全封閉,并保存了全過程的處理信息,便于工程人員追溯和再編輯,處理得到的數(shù)據(jù)和曲線圖形皆可導(dǎo)出進(jìn)行再分析。利用該軟件,本文構(gòu)建了S580B合金鋼的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系,擬合出了不同本構(gòu)模型對應(yīng)的應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)和應(yīng)變率敏感性參數(shù),從可視化界面上清晰得到S580B材料適用的本構(gòu)模型、擬合參數(shù)以及擬合誤差。
本文中利用INSTRON高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)開展中應(yīng)變率范圍(10-2s-1~102s-1)下材料力學(xué)性能測試試驗(yàn)。如圖1所示,該試驗(yàn)機(jī)由液壓系統(tǒng)、水冷機(jī)組、機(jī)架和控制系統(tǒng)4部分組成。典型的拉伸試驗(yàn)件如圖2所示,由于試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)筒在試驗(yàn)件受拉之前需有一定的加速行程,因此一側(cè)非標(biāo)距段較長。
圖1 高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)
圖2 試驗(yàn)件形狀示意圖
試驗(yàn)件通過下夾具固定在試驗(yàn)機(jī)上,初始時(shí)上夾具與試驗(yàn)件不接觸,通過墊塊和抱緊螺栓實(shí)現(xiàn)上夾具與試件之間的微接觸狀態(tài)。試驗(yàn)過程中通過液壓作動(dòng)筒結(jié)合氣體蓄能器提供加載能量,上夾具隨作動(dòng)筒達(dá)到預(yù)定加載速度后,墊塊在預(yù)定位置被引導(dǎo)桿上的凸臺撞掉,此時(shí),上夾具在抱緊螺栓作用下瞬間夾持住試件,并繼續(xù)隨作動(dòng)筒向上運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)恒速率拉伸。
低速拉伸時(shí),可由試驗(yàn)機(jī)的壓電載荷傳感器直接測量動(dòng)態(tài)拉伸載荷。但當(dāng)拉伸速度較大、應(yīng)變率大于10-1s-1時(shí),試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的共振問題會(huì)導(dǎo)致載荷傳感器測試結(jié)果發(fā)生大幅度的振蕩。對此,采用一種由非標(biāo)距段應(yīng)變信號間接測量載荷的方法[1,4]。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)件尺寸時(shí)使得非標(biāo)距段在拉伸過程中一直處于彈性變形,在非標(biāo)距段兩側(cè)粘貼應(yīng)變片(粘貼兩個(gè)應(yīng)變片的目的是消除彎矩影響),和另外兩個(gè)應(yīng)變片連接形成惠斯通電橋,測量試驗(yàn)件拉伸過程中該電橋的輸出電壓,如圖3所示。拉伸載荷與非標(biāo)距段的應(yīng)變符合胡克定律,非標(biāo)距段的應(yīng)變與電橋輸出電壓之間呈比例關(guān)系,因此拉伸載荷與電橋輸出電壓之間呈比例關(guān)系。確定拉伸載荷與電橋輸出電壓之間轉(zhuǎn)換系數(shù)的方法有兩種:① 靜力試驗(yàn)標(biāo)定,即將試驗(yàn)件安裝到靜力試驗(yàn)機(jī)上,分別加載到一組指定載荷(限制在彈性變形內(nèi))后,測量電橋輸出電壓,進(jìn)而擬合出載荷和輸出電壓二者間的轉(zhuǎn)換系數(shù),如圖4所示;② 低速拉伸試驗(yàn)計(jì)算,即電橋輸出電壓曲線乘以某系數(shù)后和壓電傳感器測量的拉伸載荷曲線重合,該系數(shù)即為載荷和輸出電壓之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。圖5為某材料在500 s-1應(yīng)變率下的直接測量方法和間接測量方法獲得的工程應(yīng)力曲線對比圖形,可以看出間接測量方法有效地解決了測量載荷振蕩問題。
圖3 基于應(yīng)變片的載荷間接測量方法
圖4 靜力試驗(yàn)標(biāo)定轉(zhuǎn)換系數(shù)
圖5 某材料在應(yīng)變率500 s-1下的工程應(yīng)力曲線
采用數(shù)字散斑相關(guān)方法或標(biāo)識跟蹤方法獲得試驗(yàn)件標(biāo)距段的工程應(yīng)變,二者均為基于高速攝像系統(tǒng)的非接觸測量方法[13]。
① 數(shù)字散斑相關(guān)方法:如圖6所示,在試驗(yàn)件標(biāo)距段噴灑散斑,由高速攝像機(jī)采集變形階段的散斑圖像。通過圖像分析軟件跟蹤和匹配變形前后所采集圖像的灰度信息來測量試件表面的位移場和應(yīng)變場,如圖7所示。
圖6 散斑照片
圖7 數(shù)字散斑相關(guān)方法測量應(yīng)變
② 視頻引伸計(jì)方法:如圖8所示,在試驗(yàn)件標(biāo)距段畫兩個(gè)標(biāo)識點(diǎn),通過高速攝像機(jī)記錄標(biāo)識點(diǎn)在拉伸過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)合數(shù)字圖像處理軟件計(jì)算出兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的相對位移-時(shí)間歷程數(shù)據(jù),進(jìn)而計(jì)算得到標(biāo)距段的工程應(yīng)變。
圖8 跟蹤標(biāo)識點(diǎn)測量應(yīng)變
從測試數(shù)據(jù)得到能夠用于本構(gòu)表征的數(shù)據(jù),需要處理試驗(yàn)機(jī)采集的載荷信號、間接測量的應(yīng)變片輸出電壓信號以及非接觸測試的應(yīng)變信號等,進(jìn)而獲得不同應(yīng)變率下的流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。
(1)信號濾波。
高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的信號疊加有噪聲信號,對于噪聲信號中50 Hz工頻及其倍頻程等周期性的干擾信號,可通過數(shù)字濾波方法濾除測試信號中的噪聲或虛假成分。本文采用巴特沃斯低通濾波器對需要濾波的載荷和應(yīng)變信號進(jìn)行濾波。
(2)工程應(yīng)力計(jì)算。
當(dāng)應(yīng)變率小于10-1s-1時(shí),采用載荷直接測量方法,工程應(yīng)力計(jì)算公式如式(1)所示;當(dāng)應(yīng)變率大于10-1s-1時(shí),采用載荷間接測量方法,工程應(yīng)力計(jì)算公式如式(2)所示。
σ=F(t)/(w·t)
(1)
σ=k·U(t)/(w·t)
(2)
式中:F(t)為壓電傳感器測量的載荷;w為試驗(yàn)件標(biāo)距段截面的寬度;t為標(biāo)距段厚度;k為載荷與輸出電壓之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);U(t)為非標(biāo)距段惠斯通電橋的輸出電壓。
(3)修正應(yīng)力/應(yīng)變數(shù)據(jù)。
噪聲信號還包括不規(guī)則的隨機(jī)干擾信號,這種隨機(jī)干擾信號的頻帶較寬,有時(shí)高頻成分所占比例較大,無法通過濾波去除。本文中關(guān)于修正應(yīng)力和應(yīng)變曲線的思路有兩種:① 去除異常區(qū)域的數(shù)據(jù),以其他區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行插值代替,插值的方法包括分段線性插值、立方插值和三次樣條插值等;② 采用滑動(dòng)平均法對應(yīng)力和應(yīng)變信號進(jìn)行多次數(shù)據(jù)平滑處理以去除不規(guī)則趨勢項(xiàng),選擇合適的滑動(dòng)階次和平滑次數(shù),使得平滑后的曲線在原始曲線的振蕩包絡(luò)之內(nèi)。
(4)統(tǒng)一應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)的時(shí)間增量。
應(yīng)力信號由高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得,而應(yīng)變信號由高速攝像系統(tǒng)獲得,二者之間的采樣率不一定一致,因此需要通過插值方法使得應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)的時(shí)間增量相同。
(5)應(yīng)力-應(yīng)變曲線起始點(diǎn)的確定。
對于已知彈性模量的材料而言,應(yīng)變和應(yīng)力二者對應(yīng)起始點(diǎn)可根據(jù)式(3)確定:
ε0=σ0/E
(3)
式中:σ0為選擇的應(yīng)力起始值(該應(yīng)力小于彈性極限);ε0為σ0對應(yīng)的應(yīng)變;E為彈性模量。
對于未知彈性模量的材料,由于試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)設(shè)置為同步觸發(fā),在低應(yīng)變率加載下,觸發(fā)后初始時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變認(rèn)為是相對應(yīng)的。高速加載下的電信號傳播時(shí)間稍有差別,因而應(yīng)力和應(yīng)變信號二者間存在信號延遲,可根據(jù)低應(yīng)變率試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變信號對應(yīng)的起始值進(jìn)行起始點(diǎn)的確定。
(6)真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變的計(jì)算。
由于在試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)件標(biāo)距段的橫截面積是在不斷變化的,測量或計(jì)算出的工程應(yīng)力和工程應(yīng)變需修正得到真實(shí)應(yīng)力和真是應(yīng)變,計(jì)算公式如式(4)和式(5)所示。
σT=σ(1+ε)
(4)
εT=ln(1+ε)
(5)
式中:σT為真實(shí)應(yīng)力;σ為工程應(yīng)力;ε為工程應(yīng)變;εT為真實(shí)應(yīng)變。
(7)應(yīng)變率計(jì)算。
理想應(yīng)變率為
(6)
實(shí)際應(yīng)變率的計(jì)算方法包括線性擬合法和中心差分法,分別如式(7)和式(8)所示。
(7)
(8)
(8)流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)的截取。
適用于金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型主要包括Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型和塑性隨動(dòng)模型[14-17]。這3種模型較為清晰地表述了金屬材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。
Johnson-Cook模型表達(dá)式為
(9)
Cowper-Symonds模型的表達(dá)式為
(10)
式中:D和p為應(yīng)變率敏感性參數(shù)。
塑性隨動(dòng)模型表達(dá)式為
(11)
(12)
式中:σs為屈服強(qiáng)度;β為硬化參數(shù)(介于0~1之間);Ep為塑性硬化模量;E和Etan為彈性模量和切線模量。
擬合上述3個(gè)動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型參數(shù)的思路為:選定某個(gè)應(yīng)變率作為參考應(yīng)變率,根據(jù)最小二乘原理計(jì)算得到應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù),然后選定某塑性應(yīng)變常量值代入本構(gòu)模型表達(dá)式,獲取不同應(yīng)變率下該塑性應(yīng)變值對應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)值,進(jìn)而擬合得到應(yīng)變率敏感性參數(shù)。
相比于準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率的材料力學(xué)性能測試試驗(yàn),材料中應(yīng)變率力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)的處理較為復(fù)雜煩瑣,可設(shè)計(jì)出專用的數(shù)據(jù)處理與分析軟件,提高工作效率。
(2)鋼管防竄動(dòng)裝置 鋼管在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)左右竄動(dòng),如果竄動(dòng)量超過了埋弧焊槍頭的調(diào)節(jié)范圍,會(huì)影響焊接質(zhì)量。防竄裝置是控制鋼管在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)竄動(dòng)范圍,有效減少竄動(dòng)量,保障焊機(jī)槍頭和環(huán)縫中心線處于共面狀態(tài)。
本文基于MATLAB GUI平臺,根據(jù)上述的測試數(shù)據(jù)處理與本構(gòu)表征方法,采用模塊化的設(shè)計(jì)技術(shù),遵循測試數(shù)據(jù)處理的邏輯程序,實(shí)現(xiàn)以下功能需求。
① 試驗(yàn)件尺寸和試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)匯總模塊:將同一個(gè)材料各試驗(yàn)件的尺寸和試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)等信息匯總,以供其他模塊調(diào)用。
② 指定試驗(yàn)件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算模塊:處理高速材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù),獲得指定試驗(yàn)件的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。該模塊的邏輯如圖9所示,界面如圖10所示。
圖9 模塊②的邏輯圖
圖10 模塊②的界面
③ 應(yīng)力/應(yīng)變曲線修正模塊:剔除數(shù)據(jù)毛刺和異常處,采用插值方法和滑動(dòng)平均方法等對曲線進(jìn)行平滑??筛鶕?jù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行疊加操作獲得處于原始數(shù)據(jù)包絡(luò)內(nèi)的修正曲線。
④ 應(yīng)變率計(jì)算模塊:計(jì)算標(biāo)距段在拉伸過程中的應(yīng)變率。
⑤ 金屬材料塑性變形部分截取模塊:獲得指定試驗(yàn)件在塑性段的流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù),后續(xù)基于此數(shù)據(jù)構(gòu)建材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。
⑥ 對比其他試驗(yàn)件結(jié)果數(shù)據(jù)模塊:檢查同一應(yīng)變率工況數(shù)據(jù)的重復(fù)性,確認(rèn)該試驗(yàn)件的測試數(shù)據(jù)有效,同時(shí)對比其他應(yīng)變率工況下的數(shù)據(jù),初步了解材料的應(yīng)變率效應(yīng)。
⑦ 各應(yīng)變率工況匯總模塊:匯總同一應(yīng)變率工況下所有試驗(yàn)件的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),并從中挑選出某試驗(yàn)件的數(shù)據(jù)作為該應(yīng)變率下的典型數(shù)據(jù),進(jìn)而匯總不同應(yīng)變率下的相關(guān)數(shù)據(jù)。
⑧ 動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建模塊:基于匯總的不同應(yīng)變率下的流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù),選擇動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型,擬合應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)和應(yīng)變率敏感性參數(shù),并顯示出試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的對比圖形。具體界面如圖11所示。
圖11 模塊⑧的界面
模塊②~模塊⑤通過數(shù)據(jù)變量的傳遞實(shí)現(xiàn)互相關(guān)聯(lián),其余各模塊通過數(shù)據(jù)文件的輸入和輸出進(jìn)行使用。未展示的模塊界面在此不一一贅述。
利用本軟件處理S580B合金鋼材料在0.1 s-1、1 s-1、50 s-1、100 s-1、200 s-1和500 s-1下的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù),得到各應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。分別采用Johnson-Cook、Cowper-Symonds和塑性隨動(dòng)模型構(gòu)建S580B合金鋼材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系,擬合得到各本構(gòu)模型的參數(shù)數(shù)值,如表1~表3所示,軟件獲得的試驗(yàn)和擬合的對比曲線如圖12~圖14所示。軟件界面中顯示的擬合均方根誤差如表4所示。利用本軟件,能夠清晰明了地發(fā)現(xiàn),Johnson-Cook本構(gòu)模型更適用于表征S580B合金鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
表1 Johnson-Cook模型參數(shù)
表2 Cowper-Symonds模型參數(shù)
表3 塑性隨動(dòng)模型參數(shù)
圖12 Johnson-Cook模型擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比圖
圖13 Cowper-Symonds模型擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比圖
圖14 塑性隨動(dòng)模型擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比圖
表4 各模型的擬合誤差
針對中應(yīng)變率下材料的力學(xué)性能測試試驗(yàn)方法,集成載荷和應(yīng)變這兩套測試系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),給出了從原始測試數(shù)據(jù)到流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變所涉及的數(shù)據(jù)處理與分析方法,以及適用于金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能本構(gòu)表征方法。
設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)處理與分析軟件,具有試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)匯總、應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算、應(yīng)力和應(yīng)變曲線修正、不同試驗(yàn)件結(jié)果數(shù)據(jù)對比、塑性變形階段數(shù)據(jù)的截取、應(yīng)變率計(jì)算、各應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)匯總和動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系構(gòu)建等功能,用戶界面體現(xiàn)了材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)處理到本構(gòu)表征的全過程,所有處理操作可追溯、可編輯,大幅度地提高了數(shù)據(jù)處理的工作效率。
基于S580B合金鋼的測試數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)處理與分析軟件,擬合得到Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型和塑性隨動(dòng)模型這3種本構(gòu)模型對應(yīng)的應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)和應(yīng)變率敏感性參數(shù),軟件界面中顯示的擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比圖以及均方根誤差表明,Johnson-Cook模型能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)出S580B合金鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。