在役设备材料断裂力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之二

20多年以来, 用小型试件的小冲杆实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. 小冲杆实验的试样虽然还没有标准, 但一般均采用直径为3～10mm,厚度为0.1～0.5mm的圆片试样.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、断裂形态转变温度、断裂韧性、蠕变性能以及表示塑性硬化和韧性损伤的微观力学参数和黏塑性性能等各种力学性能.该方法兼具取样方便和几乎无损的优点,非常适用于那些无法取出传统试样或取样不经济的场合,因此引起科技界和工业界的关注.本文综述了小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料断裂形态转变温度、断裂韧性和主曲线的移动温度的各种计算方法研究进展.     

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 (backpropagation)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。     

小冲杆试验技术研究现状与展望

小冲杆试验(small punchtest,SPT)技术是一种应用于工业设备剩余寿命预测和结构完整性评定的新技术.其特点是只需要在设备的表面刮取少量的材料作为试样,然后用小冲杆试验便可以确定该在役材料的弹性模量、 屈服强度、塑性性能、 抗拉强度、 韧-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和损伤程度,从而为结构的剩余寿命预测和完整性评定提供可靠的依据. 此外,该技术的取样和试验都相当简单易行, 试件取样后无须对设备修复.该技术自20世纪80年代初提出以来, 已经有了长足的进展,在美国、欧洲、日本和澳洲的核反应堆和电站设备的评定中得到应用,其相应的规范也在建立之中.该文旨在对国内外在该领域的研究成果作一个综述,并对该技术如何在工程实践中推广应用,以及建立中国标准提出相应的建议.      

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。     

小冲杆试验确定材料拉伸断后伸长率的研究

小冲杆试验技术可以近似无损地测试材料的力学性能.本文对几十种材料进行了小冲杆试验研究,对小冲杆试样的抽向挠度δ与拉伸断后伸长率A进行了经验关联.研究表明,对于试验中涉及的几十种材料,二者之间没有统一的线性相关公式,但可以按材料的杭拉强度和屈强比将材料分类,然后分别对δ和A进行线性关联.对于抗拉强度小于600MPa的材料...     

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。     

《实验力学》第七卷(1992)分类索引

综述细观力学实验技术综述,1,1实验力学在未来国际上的地位,1,11论文水下爆炸压力测量中的若干问题,1,17高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响,1,23用应力波方法测定粘弹性材料的动态力学性能,1,30一种求解平面接触应力问题的光弹性一数值组合方法,1,36用人字形切梢短棒试样测定断裂韧度的新方法,1,44缺口裂纹起裂和扩展检侧的直流电位法,1,幻多输人多输出实验模态参数识别(3)一频域识别法及其内在联系,1,.50用简单拉伸试验测量材料热力学参数的一种尝试,1,70张t多项式强度准则相互作用系数实验确定方法,1,75高速动态图像的采集技…     

基于球形压入法提取材料的塑性力学参数

基于球形压入的工作方式,重点研究材料塑性力学参数的表征方法. 首先,通过对球压入可测量的综合评价,选取能量比(可释放功和压入总功之比)作为主要分析参数; 其次,利用孔洞模型、量纲分析和数值模拟等工具,定义特定的代表性应变,建立起能量比和材料塑性力学参数之间的关系式, 由此,提出一种能提取材料屈服应力和硬化指数的力学表征方法,该方法避免了对接触半径的测量,确保了方法的可操作性,并通过参数重组提高其稳定性; 最后,选用45号钢和6061铝合金进行压入试验,与拉伸试验结果比对显示: 该方法识别的塑性力学参数能满足工程测试需要.      

SUS304材料的小冲孔蠕变试验研究

小冲孔蠕变试验技术是一种采用微小试样、近乎无损地评定材料高温力学性能的新方法,本文应用小冲孔蠕变试验技术评定SUS304材料的高温力学性能。在不同温度下,对SUS304奥氏体不锈钢进行载荷范围为443N～513N的小冲孔蠕变试验,得到材料在不同试验条件下的蠕变曲线,通过中断试样的扫描电镜观察分析了试样的变形过程,讨论了影响小冲孔蠕变试验的主要因素。试验结果表明,从小冲孔实验获得的蠕变曲线与传统单轴拉伸蠕变实验的蠕变曲线具有一致性,都具有三个明显的蠕变阶段,利用小冲孔蠕变试验技术测试材料的高温性能是可行的。试验载荷越大,试样瞬时变形挠度越大,蠕变第二阶段速率越快,断裂时间越短。载荷、温度、试样厚度、环境是小冲孔试验的主要影响因素,对试验结果影响很大。     

Experimental and Numerical Analysis of Initial Plasticity in P91 Steel Small Punch Creep Samples

To date, the complex behaviour of small punch creep test (SPCT) specimens has not been completely understood, making the test hard to numerically model and the data difficult to interpret. This paper presents a novel numerical model able to generate results that match the experimental findings. For the first time, pre-strained uniaxial creep test data of a P91 steel at 600 ^°C have been implemented in a conveniently modified Liu and Murakami creep damage model in order to simulate the effects of the initial localised plasticity on the subsequent creep response of a small punch creep test specimen. Finite element (FE) results, in terms of creep displacement rate and time to failure, obtained by the modified Liu and Murakami model are in good agreement with experimental small punch creep test data. The rupture times obtained by the FE calculations which make use of the non-modified creep damage model are one order of magnitude shorter than those obtained by using the modified constitutive model. Although further investigation is needed, this novel approach has confirmed that the effects of initial localised plasticity, taking place in the early stages of small punch creep test, cannot be neglected. The new results, obtained by using the modified constitutive model, show a significant improvement with respect to those obtained by a ’state of the art’ creep damage constitutive model (the Liu and Murakami constitutive model) both in terms of minimum load-line displacement rate and time to rupture. The new modelling method will potentially lead to improved capability for SPCT data interpretation.     

无铆连接模具参数对异种金属板料接头成形的影响

为了研究无铆连接模具参数对 304 不锈钢和 AL6061 板料接头成形的影响，基于 DEFORM-2D 建立了有限元模型，分析了凹模深度、凹槽深度和凸模直径三个主要模具参数对接头成形的影响．研究结果表明，凹模深度越大，越有利于下板料变形，反之，则有利于上板料变形．当凹模直径一定时，凹槽深度和凸模直径过小不利于形成互锁，而凹槽深度不宜过大，避免出现充不满现象，凸模直径过大导致接头颈厚值过小．通过正交试验发现，对接头成形的影响程度从大到小依次为凸模直径、凹槽深度和凹模深度，确定了最优模具参数，并通过无铆连接实验验证了正交试验的可靠性．此外，通过剪切实验获得了接头最大剪切失效载荷为 1.8 kN．     

An Extension of the Monkman-Grant Model for the Prediction of the Creep Rupture Time Using Small Punch Tests

Creep tests on a small scale have the potential to be used without significant removal of material or in areas where the available material is limited. In this paper an extension of the modified Monkman-Grant model for the prediction of the creep rupture time using Small Punch Creep Tests (SPCT) is investigated. This test basically consists of punching, under constant load, a small size specimen (10×10×0.5 mm) with the ends fixed. For this purpose an AZ31B magnesium alloy, taking a test temperature of 150?ºC, has been selected. The Monkman-Grant relation is a predictive model, initially developed for uniaxial creep tests, which can be used to predict the rupture time of tests which have been interrupted once secondary stage of creep has been reached. The proposed extension of the Monkman-Grant model for SPCT is based on the definition of the Minimum Relative Punch Displacement Rate. The experimental techniques and data analysis, involving small punch testing, are explained in detail. The proposed predictive model allows the test times of small punch testing to be reduced and it can be directly applied to predict the failure time from an interrupted test at the time when the Minimum Relative Punch Displacement Rate is reached. Good correlations are obtained by comparing the failure time from the proposed Monkman-Grant extension with the experimental failure time.     

闭孔泡沫铝的高温局部压入力学响应

通过不同形状(平头和半球头)的压头在不同温度下对闭孔泡沫铝材料进行塑性压入实验,研究不同温度下闭孔泡沫铝的压入变形模式及载荷响应特性。并基于闭孔泡沫铝在高温下的准静态塑性压入载荷响应的实验结果,结合多种分析方法,(如量纲分析和有限元计算等),探索既考虑温度影响也包含压入深度影响的预测闭孔泡沫铝平头和半球头压入力学响应的经验公式。结果表明,本文得到的两种压头情况下的经验公式都能够较好地预测闭孔泡沫铝在不同温度下的压入力学响应。     

Interaction of a rigid punch and a circular plate with a fixed side and a stress-free face

The axisymmetric contact problem of a rigid punch indentation into an elastic circular plate with a fixed side and a stress-free face is considered. The problem is solved by a method developed for finite bodies which is based on the properties of a biorthogonal system of vector functions. The problem is reduced to a Volterra integral equation (IE) of the first kind for the contract pressure function and to a system of two Volterra IE of the first kind for functions describing the derivative of the displacement of the plate upper surface outside the punch and the normal (or tangential) stress on the plate lower fixed surface. The last two functions are sought as the sum of a trigonometric series and a power-law function with a root singularity. The obtained ill-conditioned systems of linear algebraic equations are regularized by introducing small parameters and have a stable solution. A method for solving the Volterra IE is given. The contact pressure functions, the normal and tangential stresses on the plate fixed surface, and the dimensionless indentation force are found. Several examples of a plane punch computation are given.