基于ANSYS的材料模型屬性的建立與壓痕量的分析

2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在殘余應(yīng)力測試技術(shù)中,壓痕法是在硬度法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種有效的測量法,相關(guān)學(xué)者通過壓痕法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與盲孔法、X射線法對構(gòu)件殘余應(yīng)力的測量結(jié)果相似性探討其方法的可行性,近來并通過有限元分析壓痕法中試件在局部受載區(qū)域的彈塑性行為,包括其局部應(yīng)力的分布、彈塑性變形區(qū)域、壓人深度、壓痕面積等變量與壓載P的大小、壓球直徑、構(gòu)件的材料性能和構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力等的關(guān)系。在有限元分析軟件中,試件材料性能的描述,特別是試件材料在載荷下塑性區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的描述,在壓痕法測量殘余應(yīng)力有限元分析中極其重要,因?yàn)椴牧显谒苄詤^(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系反映了材料抵抗外力的能力,它直接會影響到在載荷下模型試件的彈塑性行為。因此本文通過實(shí)驗(yàn)手段法獲得試件材料力學(xué)參數(shù),并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的整理,準(zhǔn)確地在有限元環(huán)境中描述試件材料的力學(xué)性能,使試件在局部載荷作用下,其壓痕深度、局部應(yīng)力等有限元分析結(jié)果更為有效;同時通過比較實(shí)驗(yàn)硬度和有限元分析所得的硬度值,進(jìn)一步說明獲得試件材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)手段正確,ANSYS中各組試件材料模型數(shù)據(jù)的建立有效、可行。

2 材料塑性區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)是在德國ZWICK IOOkN電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成,選用比較通用的一些金屬材料45號鋼、40Cr,35CrMo等,并對每一種材料分組,每組進(jìn)行不同的熱處理,以獲得不同的硬度值和不同的力學(xué)性能,最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效的科學(xué)處理。這里以40Cr為例,彈性模量E為2.11 x1QsMPa,泊松比v為0.277,實(shí)驗(yàn)分5組,第一組40Cr退火825℃爐內(nèi)冷卻、第二組40Cr正火850℃空氣冷卻、第三組40Cr調(diào)質(zhì)處理、第四組40Cr調(diào)質(zhì)處理回火500℃空氣冷卻、第五組40Cr調(diào)質(zhì)處理回火190℃空氣冷卻,試件經(jīng)過5種不同的熱處理,其硬度范圍分別為HB70-HB120, HB190-HB240, HB3b0-HB410, HB280-HB330, HB490-HB540左右。在實(shí)驗(yàn)過程中除了獲得一般的材料力學(xué)參數(shù)外,特別要獲取在塑性區(qū)域的應(yīng)力一應(yīng)變數(shù)據(jù),為了得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),每組為6根試樣;為了得到合理的測量結(jié)果,對數(shù)據(jù)作科學(xué)處理,根據(jù)t分布和貝塞爾公式判斷系統(tǒng)誤差,按照萊以特準(zhǔn)則和格羅布斯準(zhǔn)則判別并剔除粗大誤差,并計(jì)算全部測量值的算術(shù)平均值,消除實(shí)驗(yàn)過程中的隨機(jī)誤差,作為最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表1為每組6根40Cr試樣在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的最后結(jié)果。

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3 有限元材料模型屬性建立

硬度實(shí)驗(yàn)可用來研究金屬材料的變形機(jī)理,了解壓入過程,在壓入式硬度實(shí)驗(yàn)中.將球、圓錐體或角錐體在一定壓載的悄況下壓入試件表面,其試件接觸周圍塑性區(qū)域材料變化的過程可由壓痕引起的所有變量即壓痕深度、壓痕直徑、壓痕面積、隆起部分、塑性變形、塑性區(qū)域、回彈量等來描述,并可通過有限元分析來觀察壓頭壓入試件表面的壓入過程.了解在硬度試驗(yàn)過程中試件壓痕區(qū)所產(chǎn)牛的應(yīng)力和應(yīng)變的復(fù)雜分布情況;同樣殘余應(yīng)力測試技術(shù)中,壓痕法的研究是分析試件在局部載荷作用下其接觸區(qū)域的彈塑性變形、局部應(yīng)力和應(yīng)變等彈塑性行為,因此在硬度法和壓痕法的有限元分析中試件材料屬性模型的建立尤為重要。在,ANSYS分析軟件中,從Main Menu選擇Material Props/Material Model命令,打開Define material Model Behavior窗口,展開材料屬性樹形結(jié)構(gòu),定義彈性模量EX和泊松比PRXY;同時在Structural/Nolinear中依照Von Mises屈服準(zhǔn)則輸人材料在塑性區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變值,其值來源于實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1),完成各組材料模型屬性的建立。圖1 (a), (b),(c),(d), (e)分別為40Cr材料根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在ANSYS分析軟件中描述的第一組、第二組、第三組、第四組和第五組的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,這種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系直接影響材料在局部載荷F金屬材料的變形機(jī)理、壓人過程和彈塑性行為,因此這種關(guān)系建立的準(zhǔn)確性在硬度法和壓痕法分析中尤為關(guān)鍵。

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4 有限元分析結(jié)果
本文利用有限元分析剛性壓入體對半無限大塑性表面壓入行為中所產(chǎn)生的壓痕幾何尺寸、應(yīng)力及應(yīng)變,剛性壓入體是一個圓鋼球(布氏壓頭)和圓錐體(120圓錐洛氏壓頭),試件為半無限大、理想塑性平面并具有屈服應(yīng)力,假設(shè)壓入過程中無摩擦。根據(jù)對稱性,選取試件和壓球的1/4建立幾何模型,其模型見圖2,同時合理選擇壓球大小和載荷大小使其壓入深度成為塑性變形深度。在此壓球的直徑取2.Smm,試件為5組不同熱處理的40Cr,根據(jù)硬度實(shí)驗(yàn)要求取壓載力P為1839N,使壓痕有一定的深度并在試件表面產(chǎn)生一定的塑性變形。在5組材料模型屬性建立的基礎(chǔ)上,劃分網(wǎng)格,定義邊界條件,加載求解。

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圖3(a), (b), (c), (d), (e)分別列出了各組在壓載力1839N作用下的壓入過程,特別分析了5組試件在載荷作用下發(fā)生塑性變形的壓痕量h。

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根據(jù)壓痕量和硬度計(jì)算公式HB=0.102Pl(ЛDh),求解在ANSYS中5組試樣的硬度值,分別取壓載力P為1839N, 2000N, 2250N, 2500N, 2750N, 3000N時,得到壓痕量h并計(jì)算其硬度值,該硬度值與壓載力1839N時所計(jì)算得到的硬度值基本相同。表2為在壓載力P=1839N作用下有限元分析得到的球底位移h,、邊緣凸起位移即隆起量h2,卸載后回彈量h3,莊痕量h=h1+h2-h3, D為壓球直徑,從而計(jì)算得到硬度值,比較ANSYS計(jì)算的硬度值與試件的實(shí)測硬度值,兩者結(jié)果基本相接近。

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5 結(jié)論

本文比較了用有限元方法計(jì)算得到的硬度值與實(shí)測硬度值,其結(jié)果的相近似性可以說明材料實(shí)驗(yàn)手段和材料模型屬性建立的準(zhǔn)確性,從而進(jìn)一步保證了壓痕法中利用有限元模擬分析在局部載荷下的彈塑性行為的有效性和可行性,為壓痕實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)用化提供有效指導(dǎo)參數(shù)。

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