一种仪器化冲击试验力-位移修正方法

技术领域

本发明属于冲击计量与测试领域，针对仪器化冲击试验机的砧座和锤刃非绝对刚性这一现实特性所提出的基于二者接触柔度的仪器化冲击实验结果中力-位移曲线的修正方法，为更加准确地评估材料冲击韧性提供参考修正算法，以获得更加准确的材料冲击性能数据。

背景技术

作为材料的基本性能，冲击韧性(即在冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力)是工程应用中对于材料抗冲击载荷的能力的一种量化指标，其具体的实验方法，按其服役工况，有简支梁下的冲击弯曲试验(夏比冲击试验)、悬臂梁下的冲击弯曲试验(艾氏冲击试验)以及冲击拉伸试验。其中夏比冲击试验是由法国工程师夏比(Charpy)于1905年左右建立起来的，距今已有百余年的历史。这一试验方法具有试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感的优点，成为了在评价金属材料冲击韧性时应用最为广泛的一种传统力学性能试验。

传统的夏比冲击试验使用的是摆锤式夏比冲击试验机是根据能量守恒原理设计制造的，所使用的是摆锤式设计：摆锤在某一高点从静止状态释放后，进行钟摆式的运动，在最低点处接触并冲断待测试样，冲断后的剩余能量使摆锤摆至终止位置，通过表盘记录初始位置与终止位置的角度，在已知摆锤摆长之后，计算得出初始位置与终止位置的高度差，配合摆锤重量，可以计算出冲断试样所消耗的能量，这一能量即对应试样的冲击韧性。

传统的夏比冲击试验能够在一定程度上满足测试研究材料冲击韧性的需要，但其试验方法决定了其有效数据只有冲断试样的冲击功，再无其他。在冲击试验过程中，作用在试样上的冲击力在(3～5)ms以内的时间内由零骤增到十几至几十千牛又重新下降为零。如果在试验中某两种材料有着不同的断裂机制(体现为走势不同的力-位移曲线)，但却有着相同的冲击能试验结果，那么单单冲击能这一种参数则无法反应二者在抗冲击性能方面的不同。这种由于试验方法所导致的参数单一化是制约材料抗冲击性能研究的一大障碍。

为了能够深入地评估材料的抗断裂性质、对冲击过程进行更为细致的研究，科研部门和工业界提出了考察分析材料在整个冲击过程中受力情况的需求。为此，在近三、四十年发展迅猛的电子采样技术支持之下，仪器化冲击试验机应运而生，仪器化冲击试验机的机械部分和传统的冲击试验机基本一致，但在锤刃部位安装有力传感器，与适当的电子仪器配合后，力传感器能够将冲击过程中作用于锤刃上的力信号连续记录下来，从而实现对冲击力值变化的动态监测，以所采得的力值信号为基础进行计算，得到力-位移曲线，对其进行积分，得到冲击功，解决了传统冲击试验“只有结果量，没有过程量”的问题，使得冲击试样在冲击过程中的实时受力情况能够被记录分析。

一般地，仪器化冲击试验中的位移-时间数据是从力-时间数据中计算而得的，冲击功是从力-位移数据计算而得的。具体的计算公式由相应的试验方法标准给出，所涉及的试验方法有《GB/T 19748-2019金属材料夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》、《ISO14556-2015 Metallic materials—Charpy V-notch pendulum impact test—Instrumented test method》以及《ASTM E2298–18 Standard Test Method forInstrumented Impact Testing of Metallic Materials》。三者所采用的计算公式均为

s(t)＝∫

其中t为时间自变量，v(t)为t时刻摆锤速度，v

但事实上，从定性分析上来说，在能量上，锤刃与砧座的非绝对刚体这一属性使得锤刃和砧座的受力形变有着吸收能量的效果，导致测量结果与试样韧性真实值相比偏大；在位移上，会导致计算得出的位移数据是试样挠度和砧座受力形变以及锤刃同试样接触形变的总和，继而影响到所有的位移特征值的计算，如屈服位移S

目前，没有针对锤刃与砧座柔度对仪器化夏比冲击试验结果的影响的完整研究以及补偿方法，有关于锤刃与砧座的柔度测量，无论是手段还是数据，也都处于缺失状态。针对这一缺失，本发明提供一整套针对锤刃与砧座柔度所造成的冲击功测量误差进行修正的方法，以及相应的试验方法，包括一种砧座柔度测量方法，一种锤刃的柔度计算方法，以及针对锤刃与砧座柔度对不同能级冲击试样所造成的冲击功测量误差进行修正的算法，以修正仪器化冲击试验所测得的冲击功，对材料冲击韧性进行更高精度的测量。

发明内容

针对目前关于仪器化冲击试验中锤刃与砧座柔度对位移计算和冲击功测量结果影响没有给予考虑的问题，本发明提供了一整套针对锤刃与砧座柔度所造成的位移计算及冲击功测量误差进行修正的方法。该方法提出一种接触柔度的表达公式，依据有限元法获得此公式中的具体参数，以此为依据，修正锤刃在冲击过程中形变所导致的位移误差；提出一种直接测量砧座柔度的方法(直接法)及装置，测量并得出砧座与试样的接触柔度公式，以此为依据，修正砧座在冲击过程中形变所导致的位移误差。对于两种断裂类型试样提出具有针对性的基于砧座和锤刃接触柔度的位移修正方法。

具体地，本发明(一种仪器化冲击试验力-位移修正方法)的实施步骤如下：

步骤1：通过有限元方法得到锤刃与试样的接触柔度。根据锤刃尺寸和标准V型冲击试样尺寸进行3D建模(标准试样参考国标GB/T 229及欧标ISO 148-1中对锤刃和试样尺寸的相关规定)，之后在有限元仿真分析模块中划分网格(建议网格尺寸不大于1mm)，设定边界条件为试样固定，锤刃只能够沿冲击方向移动。对锤刃进行加载，以500N为一级，对多级载荷进行多次模拟，绘制形变-受力图(图2)，得到锤刃形变δ

步骤2：采用施力装置和激光干涉仪测量砧座柔度。按照图3，图4架设砧座柔度测试设备：串联安装支撑挡板(支撑物)、力传感器、施力油泵、施力传递杆等。在施力传递杆和砧座的接触位置放置激光反射镜，局部效果如图5所示。使用施力油泵进行加力，力值每增加500N，记录一次激光干涉仪测得的位移数据和力传感器测得的力值数据，而后绘制形变-受力图(图6)，得到砧座形变δ

步骤3：依据标准对标准V型冲击试样进行仪器化夏比摆锤冲击试验，得到试验过程中摆锤冲击试样过程中的力值数据，并根据标准中所提供的公式，即

s(t)＝∫

进行计算，得到未修正的冲击过程力-位移图。

步骤4：依据公式

F

和公式

F

对砧座受力F

步骤5：依据公式

对砧座和锤刃形变进行修正。根据计算的修正后数据，重新绘制仪器化冲击试验所得的力-位移曲线。

本方法同样适用于非标准冲击试样。

本发明具有如下优势：

1、相比于传统方法中将砧座和锤刃视为绝对刚体的作法，本发明将锤刃和砧座视为弹性体，在原理上更为接近真实情况。

2、对于以前未曾被研究过的砧座与锤刃的自身柔度对仪器化冲击试验试验结果的影响，本发明提供了一种能够修正二者的计算方法，使得所得到的实验结果更加接近真实，修正后的数据更加科学合理。

3、本方法实用可靠、简便可行，是在不改造仪器、不影响实验本身的情况下所进行的试验结果修正。

附图说明

图1：锤刃和试样接触形变的有限元仿真图。

图2：不同受力下的锤刃形变和锤刃与试样总形变的仿真结果。

图3：砧座柔度测量系统实物图(力值测量部分)。

图4：砧座柔度测量系统实物总图。

图5：激光入射位置示意图。

图6：砧座柔度测量结果图。

图7：锤刃、试样和砧座各部位受力形变示意图。

图8：砧座受力估算示意图(脆性断裂)。

图9：砧座受力估算示意图(韧性断裂)。

图10：修正前后的力-位移图(脆性断裂)。

图11：修正前后的力-位移图(韧性断裂)。

具体实施方式

下面结合具体的实施实例对本发明做出详细描述。

为了解决现有仪器化冲击试验位移计算方法中忽略了砧座与锤刃柔度所带来的计算误差，本发明提供了一整套针对二者的修正方法，其中包括根据有限元方法推导计算锤刃与试样的接触柔度，根据实验方法制作施力装置对砧座水平施力并使用激光干涉仪测量砧座形变来测量出砧座柔度，以及根据锤刃与砧座柔度来使用上文所提算法来修正仪器化冲击试验的位移数据。

一种仪器化冲击试验力-位移修正方法，该方法的计算步骤如下：

步骤1：通过有限元方法得到锤刃与试样的接触柔度。根据锤刃尺寸和标准V型冲击试样尺寸进行3D建模(标准试样参考国标GB/T 229及欧标ISO 148-1中对锤刃和试样尺寸的相关规定)，之后在有限元仿真分析模块中划分网格(建议网格尺寸不大于1mm)，设定边界条件为试样固定，锤刃只能够沿冲击方向移动。对锤刃进行加载，以500N为一级，对多级载荷进行多次模拟，绘制形变-受力图(图2)，得到锤刃形变δ

步骤2：采用施力装置和激光干涉仪测量砧座柔度。按照图3，图4架设砧座柔度测试设备：串联安装支撑挡板(支撑物)、力传感器、施力油泵、施力传递杆等。在施力传递杆和砧座的接触位置放置激光反射镜，局部效果如图5所示。使用施力油泵进行加力，力值每增加500N，记录一次激光干涉仪测得的位移数据和力传感器测得的力值数据，而后绘制形变-受力图(图6)，得到砧座形变δ

步骤3：依据标准对标准V型冲击试样进行仪器化夏比摆锤冲击试验，得到试验过程中摆锤冲击试样过程中的力值数据，并根据标准中所提供的公式，即

s(t)＝∫

进行计算，得到未修正的冲击过程力-位移图。

步骤4：依据公式

F

和公式

F

对砧座受力F

步骤5：依据公式

对砧座和锤刃形变进行计算并修正，根据修正后数据，重新绘制仪器化冲击试验所得的力-位移曲线。

以某型仪器化冲击试验机的T型锤刃为例，通过有限元分析得到不同冲击力下的锤刃自身的接触形变和锤刃以及试样的总体接触形变，根据仿真结果(图1、2)，得到锤刃以及试样的总体接触形变的拟合公式为

δ

式中力F的单位为kN，锤刃以及试样的总体接触形变δ

关于位移测量，需要注意的有两点：一是在每次测量前，需要调整激光反射镜的固定位置，使之紧贴砧座，因为在加力卸力循环过后，激光反射镜的位置相对于施力传递杆会有一定的变化，二者间会有空隙产生；二是激光反射镜的位置应贴紧砧座，并且在激光反射镜上的激光射入位置应和砧座倒角处对齐，如图5所示。第二点的原因在于总体上，冲击过程可以看做是一个三点弯曲的过程，所以砧座的柔度主要体现在其倒角位置的受力-位移关系。

对步骤1和步骤2中柔度测量数据进行拟合时，可以采用如下形态的拟合公式

δ(F)＝a×atan(b×F)+c×F

其中δ为砧座或锤刃的形变，a，b和c为拟合待定系数。这一拟合公式有着比较好的拟合效果。

步骤5中公式推导如下

砧座、试样和锤刃是串联连接的，因此

δ

δ

δ

其中δ

s(t)＝δ

代入并离散化后可得

其中F

仪器化冲击试验机的力传感器为应变式力传感器，其所在部位为锤刃，因此所采集得到的力值数据是锤刃部位在冲击过程中的受力，而由于冲击所引发的试样振动会导致砧座与锤刃关于振动所对应的受力有着180°的相位差：在冲击过程中，试样首先会被锤刃加速至初始摆锤撞击速度，在加速过程中，也即首峰力中的绝大部分，试样与砧座并无接触，在砧座试样和锤刃三者接触之后，试样维持振动，使得砧座与锤刃受力异步，直至试样产生脆性断裂(通常发生在低能级试样试验中)或是试样弯曲屈服使得振动衰减(通常发生在中高能级试样试验中)。因此，砧座的受力可以通过以下所述方法得到。

对于脆性断裂(低能级)试样，锤刃振动受力的上限沿和下限沿可由各峰值和谷值通过你和确定，如图8所示。由于砧座与锤刃关于振动所对应的受力有着180°的相位差，因此砧座受力可由下式求出

F

其中F

对于韧性断裂试样，如图11所示，其砧座受力计算的第一阶段与脆性断裂试样相同。由于其显著的材料屈服效应，韧性断裂试样的第二阶段可以分为两个部分予以计算，整体思路同脆性断裂的第二阶段计算也是相同的，但由于力值爬升部分(第二阶段第一部分)的峰值点可能过少，所以可以采用中性线的拟合来替代峰值点的拟合，并应用下式来计算砧座受力

F

其中F

修正前后的力-位移曲线如图10、11所示。

上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。