一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种霍普金森压杆实验试件冲击变形温度的获取方法，该方法首先进行霍普金森压杆实验，获得试件稳态温度历史曲线；根据实验后试件的变形尺寸和热电偶的参数，构建试件和热电偶的三维传热模型，并对所述传热模型进行有限元网格划分；对所述传热模型加载不同的初始温度，并获得不同初始温度加载下的冷却过程温度曲线；取冷却过程温度曲线（6?12秒）中任意一时刻的瞬态温度，得到其与加载的初始温度的对应关系；拟合不同的初始加载温度与对应所取时刻试件的瞬态温度之间的关系曲线，计算试件的冲击变形温度。本发明中通过实验与仿真结合的方法得到试件受到冲击后的变形温度，其方法简单、可操作性强、成本低，并能够获得较为精确的变形温度。
【专利说明】
一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属材料切削加工和材料本构方程计算技术领域，更具体的说，特别 涉及一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法。
【背景技术】
[0002] 金属切削加工是一种有效地材料去除方式，目前已广泛应用于工业生产。对切削 机理的进一步了解可以降低生产成本，减小刀具磨损，提高工件表面质量。金属切削加工过 程是一个非常复杂的非线性变形、大应变率、热力耦合的过程，采用传统的切削研究方法很 难对切削机理进行预测分析。而利用有限元建模和仿真技术可以实现不损坏材料的情况下 进行刀具和切削参数的优化，因此有限元方法正逐渐成为切削过程研究和仿真的一种有效 手段。
[0003] 材料本构方程是进行切削过程有限元仿真的关键，本构方程的精度也决定了仿真 结果的可靠性。在建立面向切削的金属材料本构方程前，需要采用分离式霍普金森 (Hopkinson)压杆实验方法进行屈服强度、应变硬化效应、应变率强化效应和热软化效应的 获取，进而解析得到金属材料的本构方程。在进行材料冲击变形实验过程，材料的塑性变形 能会产生变形温度，这个温度有软化材料的作用，目前在获取材料效应项时都忽略该变形 温度因素，最终影响了所得的材料本构方程精度。所以有必要获取该变形温度。
[0004] 但是获取该变形温度存在难度:冲击变形过程时间极短，在1(T5-1(T 4 s范围内，温 度的产生过程是瞬间的。采用理论计算法，中间假设较多，精度不理想，计算结果需要待验 证;采用红外探测器的热辐射法，造价高，获得的是变形试件外部温度场，并且在画面分辨 率上难以确定试件局部区域的温度;采用接触式热传感器，存在采样频率的问题，没法采集 到极短时间的温度变化。
【发明内容】
[0005] 基于此，本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种霍普金森压杆试 件冲击变形温度的获取方法，其可操作性强、成本低，并能够获得较为精确的变形温度。
[0006] 为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为： 一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法，该获取方法具体包括如下： 步骤1:进行霍普金森压杆实验，即采用热电偶测量试件表面在不同应变率条件下受到 冲击后的温度，获得稳态温度历史曲线； 步骤2:根据实验后试件的变形尺寸和热电偶的参数，构建试件和热电偶的三维传热模 型，并对所述传热模型进行有限元网格划分； 步骤3:对所述传热模型加载不同的初始温度，并获得不同初始温度加载下的冷却过程 温度曲线及其瞬态温度分布图； 步骤4:在步骤3得到的冷却过程温度曲线中取6-12秒任意时刻所述传热模型的瞬态温 度，得到其与加载的初始温度的对应关系； 步骤5:拟合不同加载的初始温度与所取时刻试件的瞬态温度之间的关系曲线，并获得 加载的初始温度与所取时刻的瞬态温度巧之间的函数关系(如式和矗为常数）； 2t = -r b (1) 步骤6:将步骤i中试件在所取时刻受到冲击后的温度代入式（i)中，获得试件在冲击 后的最高温度并根据式(2)计算冲击变形温度，其中霧为环境温度， S穸=_ ⑵。
[0007] 所述步骤2中，利用ANSYS自带网格划分命令对所述三维传热模型进行有限元网格 划分。
[0008] 所述步骤4中，取6-12S中任意一时刻所述传热模型的瞬态温度。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 本发明中在试件表面安装热电偶，由于试件在进行霍普金森压杆试验时，其表面会出 现变形，通过热电偶测量试件表面在试验过程中的温度，结合有限元仿真即可以得到试件 受到冲击后的变形温度，其方法简单、可操作性强、成本低，并能够获得较为精确的变形温 度。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明霍普金森压杆试件冲击变形温度获取方法的流程图。
[0011] 图2为本发明霍普金森压杆测温实验的原理图。
[0012] 图3为本发明中试件受到冲击后的测量点稳态历史温度曲线。
[0013] 图4为本发明仿真计算所得的试件瞬态温度分布图。
[0014] 图5为本发明10s时的瞬态温度和初始温度的关系曲线。
[0015] 图6为本发明试件在不同应变率条件下的变形温度图。
[0016] 附图标记说明：1_试件、2-热电偶、3-热电偶测温点。
【具体实施方式】
[0017] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所 描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全 面。
[0018] 除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术 人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的 实施例目的，不是旨在于限制本发明。
[0019] 参阅图1所示，本发明提供的一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法，该 获取方法具体包括如下： 步骤1:进行霍普金森压杆实验，即采用热电偶测量试件表面在不同应变率条件下受到 冲击后的温度，获得稳态温度历史曲线。
[0020] 本实施例中，采用镍白铜B10材料制作(i) 4X6mm试件1，在试件1表面安装热电偶2， 如图2所示，即热电偶测温点3在试件1表面。分别调整应变率为1000、2000、3000、4000、 5000、6000、7000/s进行霍普金森压杆实验，并记录试件受到冲击后的稳态历史温度曲线， 如图3所示。
[0021]步骤2:根据实验后试件的变形尺寸和热电偶的参数，构建试件和热电偶的三维传 热模型，并对所述三维传热模型进行有限元网格划分。
[0022]本实施例中，采用ANSYS自带网格划分命令对所述三维传热模型进行有限元网格 划分，其可靠且易于实现。
[0023] 步骤3:对所述三维传热模型加载不同的初始温度，并获得不同初始温度加载下的 模型冷却温度历史曲线及其瞬态温度分布图。
[0024] 所述初始温度％^分别选为40°C、50°C、70°C、80 °C、100°C，本实施例中，初始温度 为100 °C的瞬态温度分布图如图4所示。
[0025] 步骤4:在步骤3得到的瞬态温度分布图中取任意一秒的瞬态温度，并将其与加载 的初始温度进行对比，得到两者的对应关系;取6-12s中任意一时刻的瞬态温度可以得到可 靠的温度，本实施例中取l〇s时试件的瞬态温度记为:r Ki。
[0026] 步骤5:拟合不同加载的初始温度与所取时刻试件的瞬态温度之间的关系曲线，并 获得加载的初始温度_?：奴^与所取时刻的瞬态温度％9之间的函数关系;本实施例中，l〇s时 的瞬态温度和初始温度的关系曲线如附图5所示，解析出函数如式3所示。
[0027] - 0,9404Tk^ - 5:229 (3) 步骤6:将步骤1中试件在所取时刻受到冲击后的温度代入式（3)中_，获得试件在冲 击后的最高温度編綠，并根据式(4)计算冲击变形温度在笑，其中为环境温度，取2〇r， -(4)。
[0028] 本实施例中，将试件受到冲击后10s时的温度代入式（1)中，得到试件在冲击后的 最高温度和冲击变形温度，其中，焉-#和1^_是相互对应的，如表1所示，至此获得镍白铜 B10冲击过程的变形温度在r，其曲线图如图6所示。
[0029] 表1不同应变率下试件冲击后最高温度以及变形温度
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限 制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均 应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法，其特征在于：该获取方法具体包 括如下： 步骤1:进行霍普金森压杆实验，即采用热电偶测量试件表面在不同应变率条件下受到 冲击后的温度，获得试件稳态温度历史曲线； 步骤2:根据实验后试件的变形尺寸和热电偶的参数，构建试件和热电偶的三维传热模 型，并对所述传热模型进行有限元网格划分； 步骤3:对所述传热模型加载不同的初始温度，并获得不同初始温度加载下的冷却过程 温度曲线及其瞬态温度分布图； 步骤4:在步骤3得到的冷却过程温度曲线中取6-12秒任意时刻所述传热模型的瞬态温 度，得到其与加载的初始温度的对应关系； 步骤5:拟合加载的不同初始温度与所取时刻试件的瞬态温度之间的关系曲线，并获得 加载的初始温度％_通与所取时刻的瞬态温度A之间的函数关系(如式1，:α和:?为常数）； ^ ⑴ 步骤6:将步骤1中试件在所取时刻受到冲击后的温度代入式（1)中.1，获得试件在冲击 后的最高温度％_，并根据式(2)计算冲击变形温度ΔΤ，其中麵为环境温度， 錄=麵-I:⑵。2. 根据权利要求1所述的霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法，其特征在于:所 述步骤2中，利用ANSYS自带网格划分命令对所述三维传热模型进行有限元网格划分。3. 根据权利要求1或2所述的霍普金森压杆试件冲击变形温度的获取方法，其特征在 于:所述步骤4中，取6-12s中任意时刻所述传热模型的瞬态温度。
【文档编号】G01N3/30GK105928804SQ201610226316
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】徐道春, 雷宁
【申请人】北京林业大学