专利名称：一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法
技术领域：
本发明主要涉及到机械工程制造中材料检测领域，特指一种焊点区域材料力学性能参数的检测方法。
背景技术：
在对金属板材进行焊接过程中，由于电阻热的影响，焊接区域的材料特性会发生变化，这就使该区域的性能也有别于母材，按照硬度的特征可以将焊接区域分成三个子区域母材区、热影响区、焊点区。由于一般母材的尺寸与热影响区相比足够大，故在以往对此方面的研究中均忽略了热影响区的材料特性，即在对焊接区域进行有限元数值建模时常采用共节点连接方式或者刚性连接方式与母材直接相连，很显然这种情况下不能考虑焊点处的材料特性，这种建模方法不足以模拟焊点材料的真实力学响应；另一方面，考虑焊点处的力学响应，即采用体单元对焊点进行建模，但焊点材料的材料参数是非常难确定的，常常是根据经验进行设定，并且是假定焊点各区域的材料特性是均勻的。然而，通过显微硬度试验得知焊点的力学性能参数并非均勻分布，因而并不能简单的将焊点各区域的力学性能材料设计为一固定值。综上所述，目前对焊点的处理方法并不能满足实际工程的需求。焊点连接是车身零部件的最主要连接方式，对焊点连接进行精确模拟直接影响到整个有限元模型的精度和可信度，事关整个仿真分析的成败，焊点模型的精度与焊点材料的材料参数的准确获取息息相关。由于焊点焊接过程相当于一个热处理过程，直接导致焊点区域处的微观组织结构导常复杂并且不同区域处具有不同的微观组织，对于钢铁金属而言，焊点中间处金相组织包括马氏体和贝氏体，而热影响区有着混合金相组织，既有马氏体、贝氏体，又有铁素体和珠光体，这些不同的金相组织导致了焊点处不同的材料特性，进一步研究发现此处的力学参数会呈现非均勻性分布，即焊点、热影响区处会有着梯度变化的参数特征，所以仅通过简单的拉伸或者压缩试验很难确定焊点不同区域处的具体力学参数，并且该处的应力应变关系很难通过常规方法得到，故不能根据曲线拟合的思路对其进行参数反求。另外，在动态条件下焊点的力学性能参数会随着应变率的变化而变化，因而从静态硬度得到的力学参数无法反映出在碰撞这种在高应变率下的焊点材料的动态行为，基于此问题，如何准确获取焊点不同区域的材料动态力学特性参数就显得尤为重要。硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，显微硬度压痕试验为我们提供了测定和评价微米级甚至纳米级的表征尺寸的材料强度特性。以往的研究工作中，不管是针对传统金属材料还是像泡沫金属这样的新型材料，都是建立在这些材料参数均勻分布的基础上的， 而且大都集中于材料静态参数的识别上，很少通过动态压痕试验来测定材料的动态参数， 动态硬度压痕试验为我们提供了测定和评价更小的表征尺寸甚至是纳米级的材料强度特性，是一种评价材料尤其是金属或材料某点周围表面的力学性能的方法，利用应力脉冲作用在与试样接触的刚性压头上，使试样表面形成动态压痕，进而测得材料的动态压痕硬度和动态材料特征曲线，动态硬度试验时的应变率可以达到103_104/s，切实反映了材料抵抗压头动态压入变形的能力，并且这种测试快捷方便、试样无破坏，能够体现出材料在复杂三向应力状态下高应变率效应的重要参数特性。另一方面，通过动态霍普金森压杆试验基本方程即反射信号￡i(t)、透射信号、(t)、弹性模量E、波速Ctl、试件的初始横截面积Atl和初始厚度Ltl就可以推导出试件的平均应力^⑴和平均应变6⑴之间的关系，这样就可以拟合出均勻材料的力学参数。然而对于识别检测像焊点这种各区域的材料特性具有不均勻性特点的材料动态性能参数时，待测各个区域的初始横截面积A0难以确定，因此，不能通过动态压痕试验直接根据上诉的基本方程得到应力应变关系，进而不能直接拟合出该区域的动态力学性能参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作方便、能够测定毫米甚至微米尺寸范围内焊点不同区域的材料动态力学性能参数的检测方法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为(1)制备用于硬度试验用的焊点试样，并对进行硬度试验侧的焊点表面进行打磨、 抛光；(2)在焊点试样直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行硬度试验，根据测得的硬度值进行分区；(3)对焊点不同区域进行动态压痕试验，得到不同区域内各个试验点处的载荷深度曲线；(4)建立压痕试验有限元数值模型为了减少计算规模，整个压痕试验有限元数值模型以及载荷都是关于中心线轴对称的，另外，为了不使模型过于庞大，这里采用对实际尺寸适当的进行放缩，长度由原来的3040mm减小为1000mm，直径增加到25mm，试件的长度和直径也分别变化为22mm和18mm，这样的优势在于优化网格的质量，减小模型规模 ’另一方面，由于撞击杆仅用于产生应力脉冲的作用，所以在压痕试验有限元数值模型中没必要考虑撞击杆，取代的方法是直接在入射杆的输入端施加均布的应力脉冲。(5)在步骤(3)、(4)的基础上，根据动态压痕试验有限元数值模型与对应的试验结果得出不同区域处的目标响应函数，根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊点不同区域处的优化数学模型；(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，需要提前设定的参数有种群大小M,即种群中所含个体的数量，一般取20 100 ；遗传运算的终止迭代次数T，一般取100 500 ；交叉概率P。，一般取0. 4 0. 99;变异概率Pm，一般取0.0001 0.1。根据步骤(5)所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到某种收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解。作为本发明的进一步改进所述步骤(3)中，在所分区域进行至少三个压痕试验。
所述优化数学模型为下式所示
权利要求
1.一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为(1)制备用于硬度试验用的焊点试样，并对进行硬度试验侧的焊点表面进行打磨、抛光；(2)在焊点试验直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行静态硬度试验，根据所得硬度值进行分区；(3)在所分区域内进行动态压痕试验，得到不同区域内各个试验点处的载荷深度曲线.一入 ，(4)建立压痕试验有限元数值模型；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果构造焊点不同区域处的优化数学模型，优化数学模型中包含目标函数与约束函数、待检测的参数和每个参数的取值范围；(6)采用全局优化算法对步骤(5)的优化数学模型进行求解，优化过程中不断的自动调整待求参数的取值使仿真模型的载荷深度曲线不断迭代逼近对应实验点的实验曲线，迭代的过程中若达到指定的优化收敛准则，则优化迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解，重复该过程即可求出焊点不同区域的动态力学性能参数。
2.根据权利要求1所述的识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于所述步骤(3)中，在所分区域进行至少三个压痕试验。
3.根据权利要求1所述的识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于所述优化数学模型为下式所示Mmimze Afix1,x2, ...,Xj = JfIt^Frix1,x2,-,xjX11 < X1 < X1^Subject to :<{式中，X1, X2,…，Xn为待求参数， (z+ = l,2,……分别是待求参数的上限和下限， Tf^x1,而，…,x )为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，/ΠΑ，、···，、)为有限元仿真时求得的动态压痕载荷，m为时间增量步总数。
全文摘要
一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其步骤为(1)制备用于硬度试验用的焊点试样；(2)在焊点试验直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行硬度试验，根据硬度值进行分区；(3)在所分区域内进行动态压痕试验，得到不同试验点处的载荷深度曲线；(4)建立压痕实验的有限元模型并进行验证；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果构造焊点不同区域处的优化数学模型；(6)采用全局优化算法对步骤(5)中的优化数学模型进行求解，求出焊点不同区域的动态力学性能参数。本发明原理简单、操作方便，能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部力学性能动态参数，拓展了压痕实验的应用范围。
文档编号G01N3/40GK102435514SQ20111025193
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者付磊, 孙光永, 徐峰祥, 李光耀 申请人:湖南大学