基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

小冲杆试验(Small Punch Test,SPT)技术是一种新型微试样试验技术,通过极少量材料就能得到材料的许多力学性能。本文以压力容器常用钢材Q345R为研究对象,通过ABAQUS有限元软件模拟小冲杆试验过程,得到了小冲杆试样最先失效单元的应力三轴度;然后根据ASME防止局部失效的应变限制准则中求解多轴应变极限的方法,对小冲杆试验的等效断裂应变进行了研究。研究结果表明:基于ASME应变限制准则的等效断裂应变具有较大的保守性,作者所提出的修正应变限制准则参数的方法是可行的。此外,小冲杆试样的尺寸效应对等效断裂应变也有重要影响,使得计算的等效断裂应变比有限元模拟的应变值小。     

小冲杆试验的有限元模拟中GTN模型参数的确定

GTN模型参数的选择一直是小冲杆模拟中一个至关重要的环节,其正确与否直接影响着模拟得到的载荷-位移曲线的正确性。以16MnR材料作为研究对象,结合拉伸试验与小冲杆试验的实验结果,逐步确定出有限元模拟中的GTN模型参数。本文重点介绍了参数fN,fc,ff的确定方法。结果发现,拟合的载荷位移曲线不具有唯一性。为了验证所用方法的正确性,增加了试样断后减薄率作为另一评判标准。这一做法后来证明是可行的。这说明载荷位移曲线不能作为判断GTN参数正确的唯一准则,而增加的断后减薄率作为另一判断标准,对此方法有很好的辅助作用。上述结果可为小冲杆实验的有限元模拟夯实基础。     

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧一脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验,获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系;基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线,采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线,以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟.载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性,表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性.对应9种材料、10类试样的36个载荷-位移临界断裂点,通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度,研究表明,第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量;通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态,提出了-1至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

血红细胞力学性能的纳米压痕实验和有限元模拟

采用纳米压痕技术和有限元方法研究了血红细胞的生物力学性能. 进行了血红细胞的纳米压痕实验, 得到了血红细胞的材料参数和变形形貌; 在实验基础上, 建立了血红细胞的三维有限元模型, 模拟了血红细胞的压痕载荷-位移曲线, 并考虑了参数效应. 数值模拟结果和实验数据符合很好. 通过改变压头与材料之间的摩擦系数和压头曲率半径等参数, 比较了载荷-位移曲线的变化情况. 研究表明摩擦系数对压痕载荷-位移曲线和应力分布影响很小, 而压头曲率对载荷-位移曲线的影响明显.     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

含腐蚀缺陷的管道静力性能试验测试研究

为研究腐蚀缺陷对管道承载力的影响,本文分别进行了含腐蚀缺陷管道在轴压载荷、弯曲载荷以及轴压和弯曲复合载荷作用下的静力失效过程测试。通过不同载荷作用下管道的荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线来分析管道的失效模式和失效机理;通过有限元分析结果与试验测试结果验证其准确性。结果表明:腐蚀缺陷使管道在三种不同荷载作用下的极限承载力均有所下降;针对文中所研究的管道及其腐蚀缺陷,在轴压载荷作用下管道承载力下降了18.4%,在弯曲载荷作用下管道承载力下降了20.96%,在轴压和弯曲复合载荷作用下管道承载力下降了13.3%;管道中腐蚀缺陷位置的管壁厚度减小,该位置应变发展迅速,首先进入塑性屈服状态,最终导致该腐蚀位置发生弹塑性屈曲失效。     

自修复体系中微胶囊壁材力学性能的测试与表征

微胶囊自修复技术成为研发自修复聚合物材料的主要途径。由于尺寸效应的影响和制备工艺的差异,有必要表征和测量自修复体系中微胶囊壁材的力学性能。本文从微胶囊中直接剥离出微胶囊壁试样进行纳米压痕测试,通过数据拟合和和量纲分析的方法,建立载荷-位移(P-h)曲线与微胶囊壁材弹塑性力学参数之间的联系,分析得到了微胶囊壁材的弹性模量和特征应力值(σ_0.033),进而得到微胶囊壁材的应力-应变本构关系。     

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

基于厚度法确定小冲杆试验能量转变温度

以A106管材钢为研究对象,进行了小冲杆断裂试验,获得断后试样的最小厚度;在对试样断裂后的变形分析中,建立了试样厚度减薄率与温度的关系,规避了低温试验中载荷和位移测量不准确导致小冲杆能量转变温度不确定的问题。结果表明:基于厚度法可以准确确定小冲杆断裂试验的能量转变温度;小冲杆断裂试验后,试样最薄厚度的减小率与温度曲线关系呈现S型,有上平台、转变区、下平台三个典型区域;根据厚度减薄率与温度曲线关系可以得到小冲杆的能量转变温度。采用厚度法得到的小冲杆断裂试验的转变温度与能量法获得的结果基本一致。     

基于返回映射的铝合金激光焊缝的弹塑性参数反演

激光焊接局部高温会退化航空铝合金的力学性能,降低航空铝合金加筋壁板结构的承载能力。基于铝合金激光焊接件焊缝附近在单轴拉伸载荷下的全场位移数据,本文提出一种用于等向强化弹塑性应力增量更新的单变量返回映射方法,并将这种应力更新策略应用于非线性虚拟场方法中,结合应变场数据反演了距离焊缝不同位置子区处的弹塑性参数,建立了各个子区材料在弹塑性阶段的应力-应变关系。经反演实验结果显示,激光焊接接头局部区域的力学性质明显弱化,热影响区的塑性应变累积较快,是激光焊缝弹塑性力学性能退化最严重的区域。     

W-Ni-Fe合金静动态力学性能及数值模拟研究

采用MTS材料实验机和旋转盘式间接杆--杆型冲击拉伸试验装置对质量百分数为91%的钨合金材料力学性能进行了研究. 基于试验结果, 建立了具有钨合金典型细观结构的单胞有限元模型, 采用不动点迭代方法给出了该有限元模型的真实位移条件, 分析了不同颗粒度形状以及钨颗粒体积含量等细观参量对钨合金材料在不同载荷作用下力学性能的影响, 给出了钨合金材料在不同载荷作用下的应力--应变曲线, 并与试验结果进行了对比, 二者具有较好的一致性. 通过数值模拟发现不同颗粒度的钨合金材料均为应变率敏感材料; 钨颗粒长径比对材料力学性能的影响不大; 随着钨颗粒质量分数的增加, 钨合金材料的屈服应力有所提高.      

考虑压头曲率半径和应变梯度的微压痕分析

在压头尖端曲率半径取100nm的前提下，采用Chen和Wang的应变梯度理论，对微压痕实验进行了系统的数值分析. 首先通过拟合载荷-位移实验曲线的后半段来确定材料的屈服应力和幂硬化指数值,然后用有限元方法数值模拟压痕实验，并将计算得到的整段载荷-位移曲线及硬度-位移曲线和实验结果进行了比较. 结果表明应变梯度理论所预测的计算结果和实验结果很好地符合,包括压痕深度在亚微米和微米范围内的整段曲线.     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

插入法求强化弹塑性解

设结构只承受按相同比例增加的表面载荷作用并只发生小变形,材料性质及边界条件皆近似合乎简单加载的要求。按照的小弹塑性形变理论,当结构尺寸、材料性质及边界约束条件给定时,位移、应力、应变及载荷之间的对应关系是唯一的。我们来研究给定了结构最大应变强度值εimax情况下解的性质。 如果εimax不超过比例极限ε,则位移、应变、应力及载荷皆与εimax成线性关系。此时结构中各点的应变张量分布     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

焊锡材料的应变率效应及其材料模型

采用分离式霍普金森压杆和拉杆实验,研究了含铅Sn37Pb、无铅Sn3.5Ag和Sn3.0Ag0.5Cu3种焊锡材料在600~2200s^{-1}应变率下的力学性能,得到了它们在不同应变率下的应力应变曲线. 根据实验数据建立了3种焊锡材料的应变率无关弹塑性材料模型和率相关Johnson-Cook材料模型,并用于模拟板级电子封装在跌落冲击载荷下焊锡接点的力学行为. 结果表明,高应变率下无铅焊料比含铅焊料对应变率更敏感,其抗拉强度为含铅焊料的1.5倍,其韧性也明显高于含铅焊料;在跌落冲击过程中,焊锡接点经历的应变率可达到1000s^{ -1}左右;给出的率相关Johnson-Cook材料模型能预测出比率无关的弹塑性模型更合理的应力应变结果.