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淺析金屬材料常用的力學(xué)性能測定的標準
金屬材料常規(guī)力學(xué)性能試驗項目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗五方面，以下是小編搜集整理的一篇探究金屬材料常用的力學(xué)性能測定標準的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘 要：計算機模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行分析，可以對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材;建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進行力學(xué)性能模擬提供數(shù)據(jù)支持;利用計算機模擬軟件建立金屬構(gòu)件在服役條件下的力學(xué)性能分析，為現(xiàn)實模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：金屬力學(xué)性能;有限元;應(yīng)力應(yīng)變
1 引言
在金屬材料力學(xué)性能檢測的過程中，影響最終檢測結(jié)果準確性的因素有很多，這其中包括：測試人員素質(zhì)、測試方法、試樣狀態(tài)、環(huán)境條件等。當前對金屬力學(xué)性能檢測技術(shù)的改進集中體現(xiàn)在對實驗設(shè)備的改進以及測試方法的科學(xué)化和標準化方面，對于試樣在試驗過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的研究只能局限于樣品在測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，但金屬構(gòu)件大多具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸，且其服役條件往往也是極端復(fù)雜的，通過力學(xué)試驗測定的結(jié)果作為判據(jù)，并不能確切的表征金屬材料在實際工作條件下的強度行為，因而不能對金屬的使用性能做出確切可靠的評價。
利用有限元分析軟件對金屬材料的力學(xué)性能試驗進行模擬分析，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行分析，不僅能有效的預(yù)測金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計、制造、安全使用和維護提供參考，還能對改進金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時也為選材和質(zhì)量控制提供一些技術(shù)依據(jù)。
有限元是在連續(xù)體上進行近似計算的一種數(shù)值方法，它經(jīng)過了40多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套相當完善的理論體系，是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計算方法�？梢越鉀Q如工程的結(jié)構(gòu)分析、電磁學(xué)和熱力學(xué)等方面的問題。近年來我國對材料力學(xué)的有限元分析進行了大量的研究，但對于金屬只進行了一些較為常見的材料在特定力學(xué)條件下的有限元分析，提出了一些材料力學(xué)性能指標和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。
2 ANSYS有限元模擬與試驗室力學(xué)性能檢測耦合
有限元分析就是將復(fù)雜的連續(xù)物理對象劃分成一個個離散的子域，利用子域建立的近似的函數(shù)進行描述;推導(dǎo)求解處理所有子域誤差以此來建立整體的分析方程，再通過計算機的數(shù)值計算處理功能，就可以利用數(shù)值求解方法解決任意復(fù)雜的問題[1]。
金屬材料常規(guī)力學(xué)性能試驗項目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗五方面�，F(xiàn)行力學(xué)性能檢測絕大多數(shù)是借助幾何形狀非常簡單的標準試樣裝卡在普通的力學(xué)試驗機上，在簡單的應(yīng)力狀態(tài)下進行力學(xué)檢測。利用ANSYS有限元模擬力學(xué)檢測試驗，可以使整個試驗過程能夠直觀的表現(xiàn)，并能建立力學(xué)檢測數(shù)據(jù)與模擬參數(shù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進行力學(xué)性能模擬分析奠定基礎(chǔ)。
2.1 模擬拉伸試驗
以模擬拉伸試驗為例，國內(nèi)拉伸試驗方法標準為《GB/T 228.1-2010 金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，主要測定的檢測項目為：抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經(jīng)歷彈性、屈服、強化、頸縮四個階段，試驗數(shù)據(jù)是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標距部分的伸長L計算得出應(yīng)力-應(yīng)變圖，從而得出相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。
ANSYS模擬金屬拉伸試驗主要分為：建模、設(shè)置物理參數(shù)、設(shè)置加載條件和求解等幾大部分。根據(jù)拉伸試驗的特點，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計算時間、減少存儲空間，同時也可以滿足計算精度的要求，如圖1。因為金屬材料大都是各向同性的，只需要輸入DENS(密度)、EX(彈性模量)和NUXY(泊松比)定義即可。加載條件的設(shè)置主要以測試材料實測的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進行設(shè)置。
2.2 模擬數(shù)據(jù)庫的建立
DENS(密度)、EX(彈性模量)和NUXY(泊松比)是表示材料自身特性的參數(shù)，其大小與材料本身的狀態(tài)，例如元素含量，熱處理狀態(tài)等相關(guān)，與使用環(huán)境，受力狀態(tài)無關(guān)。模擬拉伸試驗的意義在于通過對實際檢測結(jié)果的耦合，推出不同材料自身的模擬參數(shù)(DENS、EX和NUXY)，此時這些模擬參數(shù)與實際材料的固有參數(shù)無關(guān)，是使模擬結(jié)果與實際檢測相耦合的條件，并建立相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，流程如圖2。
3 金屬構(gòu)件的應(yīng)用模擬
近年來，在金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中注意力更集中于“服役機件”而不是普通試樣，模擬機件壽命試驗有逐步發(fā)展成為一門獨立學(xué)科的趨勢。如英國北海油田開發(fā)用金屬材料及加拿大天然氣管道構(gòu)件，廣泛采用模擬試驗來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發(fā)動機的地面模擬試驗在世界各國廣泛采用[2]。但這些金屬構(gòu)件的全尺寸模擬試驗缺乏普遍性且實施比較困難(費用昂貴和技術(shù)復(fù)雜)，更多地用于各種關(guān)鍵性構(gòu)件的模擬測試中。
追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態(tài)，通過計算機利用ANSYS建立相關(guān)模型，利用已有數(shù)據(jù)庫中的模擬參數(shù)，對金屬構(gòu)件進行模擬分析，流程如圖3所示，探求普通力學(xué)性能測試方法所得到的金屬力學(xué)性能判據(jù)與金屬制件在真實服役條件下所顯示的強度行為之間相互關(guān)聯(lián)的各種規(guī)律性。不僅實施簡單，節(jié)約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應(yīng)用于各種金屬構(gòu)件，同時也為現(xiàn)實模擬服役條件下金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。
4 結(jié)束語
利用計算機模擬金屬材料力學(xué)性能檢測試驗，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行分析，對未來建立金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫提供視覺素材。
通過有限元分析的模擬分析，使具有比較復(fù)雜的形狀和大小不同的尺寸金屬構(gòu)件在真實服役條件下得到表征。不僅能有效的預(yù)測金屬材料在實際使用過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化，為金屬構(gòu)件在服役條件下的失效分析、確定金屬構(gòu)件的合理設(shè)計、制造、安全使用和維護提供參考，還能對改進金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時也為現(xiàn)實模擬金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。
參考文獻
[1]張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應(yīng)用實戰(zhàn)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.
[2]曹用濤.金屬力學(xué)性能測試進展[J].北京：理化檢驗-物理分冊， 1994，30(5)：22-25.
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