基于混合粒子群算法的小冲杆试验预测材料强度的研究

论文摘要

小冲杆试验技术作为微试样测试技术的一种已被广泛地运用于常规力学试验无法进行的场合。小冲杆试样和标准拉伸试样结构不同,以往主要采用经验关联法预测材料拉伸强度,但经验关联确定的强度准确性较差。开发一种准确预测材料强度的方法仍然是小冲杆试验长期面临的挑战。本文提出了一种基于混合粒子群算法的小冲杆试验预测各向同性材料屈服强度和抗拉强度的新方法。该方法利用混合粒子群算法和有限元模拟从小冲杆试验结果提取应力-应变曲线,进而确定材料的强度。为实现这一目标,首先验证了利用混合粒子群算法和有限元模拟确定应力-应变曲线的可靠性;然后证明了利用从小冲杆试验结果提取的应力-应变曲线确定材料强度的理论可行性,即抗拉强度前应力-应变曲线不随结构改变而改变;最后验证了利用混合粒子群算法、有限元模拟和小冲杆试验预测材料强度的可靠性。本文以加氢反应器材料3CrlMo1/4V为主要研究对象,具体的研究工作和主要结论如下:（1）提出了利用混合粒子群算法和有限元模拟确定应力-应变曲线的具体方法,并验证了该方法的可靠性。根据提出的方法确定了拉伸试验颈缩后的应力-应变曲线,并利用确定的曲线模拟了拉伸试验。结果表明,模拟载荷-位移曲线和试验曲线具有高度重合性;模拟的断后直径与真实试验断后直径几乎一致。这表明本文提出的方法能够准确地获得颈缩后应力-应变曲线。利用所提方法多次确定的应力-应变曲线高度重合,表明该方法确定应力-应变曲线具有很好的重复性。（2）设计了一系列缺口圆棒试样研究试样结构对应力-应变曲线的影响。结果表明,本文所研究材料塑性应变小于0.3mm/mm时,结构对应力-应变曲线无明显影响;塑性应变大于0.3mm/mnm时,结构对应力-应变曲线有明显影响。3CrlMo1/4V材料抗拉强度对应的塑性应变远小于0.3mm/mm,因此抗拉强度以前应力-应变曲线不受结构影响。这为从小冲杆试验提取应力-应变曲线确定材料强度提供了理论支撑。（3）利用电子背散射衍射技术、扫描电镜和延性损伤模型从微观组织结构研究了结构影响应力-应变曲线的本质。研究发现,塑性应变小于0.3mm/mm时,相同塑性应变程度,不同缺口拉伸试样的晶粒形状及大小相互之间无明显区别;塑性应变等于0.5mm/mm时,应力三轴度高的拉伸试样品粒伸长比应力三轴度低的试样小。扫描电镜发现试样断口剖面存在孔洞,孔洞在较低应力三轴度试样中呈椭球状长大,在较高应力三轴度试样以球状长大。损伤模型分析表明,塑性应变小于0.3mm/mm时,不同缺口试样的孔洞体积分数无明显区别;塑性应变大于0.3mm/mm时,相同塑性应变程度应力三轴度高的试样孔洞体积分数较大。试验发现试样结构影响应力-应变曲线的本质是不同结构试样在变形过程中微观组织结构的演化不一样。（4）提出了结合有限元模拟、混合粒子群算法和小冲杆试验确定材料拉伸强度的具体方法,利用一系列假定材料验证了所提方法确定强度的准确性和唯一性。研究发现,利用该方法获得的强度准确性较经验关联高,解决了目前小冲杆试验预测材料拉伸强度准确性低的难题。利用该方法预测了3Cr1Mo1/4V材料的屈服强度和抗拉强度,结果表明预测的强度与单轴拉伸试验结果的差别小于5%。根据研究结果,提出了基于数据库的小冲杆试验预测材料强度的方法,并分析了试验误差对预测强度的影响。该方法有望日后发展为小冲杆试验确定强度的统一方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 小冲杆试验确定材料强度现状及存在的问题
•     1.2.1 小冲杆试验原理及运用
•     1.2.2 小冲杆试验确定材料强度现状
•     1.2.3 小冲杆试验确定材料强度存在的问题
•   1.3 有限元模拟确定材料参数原理及运用
•     1.3.1 有限元模拟确定材料参数原理
•     1.3.2 有限元模拟确定应力-应变曲线
•   1.4 小冲杆试验和有限元模拟确定强度
•     1.4.1 可行性分析
•     1.4.2 存在的难题
•   1.5 本文研究内容
• 第2章 有限元模拟确定应力-应变曲线的可靠性研究
•   2.1 引言
•   2.2 拉伸试验
•   2.3 混合粒子群算法
•     2.3.1 粒子群算法
•     2.3.2 模拟退火算法
•     2.3.3 混合粒子群算法
•   2.4 颈缩后应力-应变曲线的确定
•     2.4.1 应力-应变曲线识别方案
•     2.4.2 有限元模拟确定应力点集合
•     2.4.3 可靠性讨论
•   2.5 本章小结
• 第3章 应力-应变曲线模拟不同结构试样的适用性
•   3.1 引言
•   3.2 缺口拉伸试验
•     3.2.1 试样设计及试验
•     3.2.2 试验结果
•   3.3 应力-应变曲线的适用性评估
•   3.4 试样结构对应力-应变曲线的影响
•     3.4.1 缺口试样应力-应变曲线确定
•     3.4.2 误差分析
•   3.5 小冲杆试样预测强度的可行性评估
•   3.6 本章小结
• 第4章 试样结构影响应力-应变曲线的本质
•   4.1 引言
•   4.2 晶粒及织构在不同结构中的演化
•     4.2.1 试验方案以及试样制备
•     4.2.2 试验结果与分析
•   4.3 孔洞在不同结构中的演化
•     4.3.1 试验方案
•     4.3.2 试验结果与分析
•   4.4 孔洞在不同结构中演化的定量分析
•     4.4.1 Gurson-Tvergaard-Needleman本构模型
•     4.4.2 GTN模型参数的确定
•     4.4.3 应变及孔洞分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 利用小冲杆试验确定拉伸性能参数的可靠性研究
•   5.1 引言
•   5.2 拉伸性能参数确定方法
•     5.2.1 材料强度计算方法
•     5.2.2 塑性参数确定方法
•   5.3 拉伸性能参数的确定
•     5.3.1 假定材料
•     5.3.2 应力-应变曲线的确定
•     5.3.3 屈服强度和抗拉强度的确定
•   5.4 本章小结
• 第6章 小冲杆试验确定3Cr1Mo1/4V的拉伸性能参数
•   6.1 引言
•   6.2 拉伸性能参数的确定
•     6.2.1 小冲杆试验
•     6.2.2 初始屈服应力的唯一性
•     6.2.3 强度的确定
•   6.3 基于数据库预测材料强度
•     6.3.1 强度确定方法
•     6.3.2 误差对预测结果的影响
•     6.3.3 数据库方法的运用
•   6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 论文创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的学术成果与荣誉

文章来源

类型: 博士论文

作者: 钟继如

导师: 关凯书

关键词: 小冲杆试验,材料强度,应力应变曲线,混合粒子群算法,有限元模拟

来源: 华东理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,自动化技术

单位: 华东理工大学

分类号: O346;TP18

总页数: 118

文件大小: 14574K

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