材料性能评估方法和系统
阅读：1009发布：2020-05-19
专利汇可以提供材料性能评估方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种材料性能评估方法，包括步骤：通过特定工况下的 力 学实验获得测试材料的实际 变形 位移；根据设定的测试材料的性能参数，通过 计算机辅助工程 仿真特定工况下的力学实验获得测试材料的仿真变形位移；对实际变形位移和仿真变形位移进行比较，获取测试材料的实际性能参数；根据测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。本发明还涉及一种材料性能评估方法。本发明的材料性能评估方法和系统通过实验和计算机辅助工程仿真准确获取材料性能参数，再通过材料性能参数进行各种工况的模拟测试，避免了测试工况发生改变时需要重新进行材料性能测试造成测试工作负担巨大的 缺陷 。，下面是材料性能评估方法和系统专利的具体信息内容。
1.一种材料性能评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1、通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；
S2、根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；
S3、对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回步骤S2；
S4、根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。
2.根据权利要求1所述的材料性能评估方法，其特征在于，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移以及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括仿真的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。
3.根据权利要求1所述的材料性能评估方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：
S21、根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；
S22、设定测试材料的性能参数；
S23、在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移。
4.根据权利要求3所述的材料性能评估方法，其特征在于，所述步骤S22为如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。
5.根据权利要求3所述的材料性能评估方法，其特征在于，所述步骤S23包括：
S231、在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；
S232、根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移。
6.一种材料性能评估系统，其特征在于，包括：
实验测试模块(1)：用于通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；
仿真测试模块(2)：用于根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；
参数获取模块(3)：用于对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回所述仿真测试模块(2)进行处理；
以及
应用模块(4)：用于根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。
7.根据权利要求6所述的材料性能评估系统，其特征在于，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移以及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括仿真的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。
8.根据权利要求6所述的材料性能评估系统，其特征在于，所述仿真测试模块(2)包括：
模型建立单元(21)：用于根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；
设定单元(22)：用于设定测试材料的性能参数；以及
仿真单元(23)：用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移。
9.根据权利要求8所述的材料性能评估系统，其特征在于，如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。
10.根据权利要求8所述的材料性能评估系统，其特征在于，所述仿真单元(23)包括：
仿真子单元(231)：用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；以及
优化子单元(232)：用于根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移。
材料性能评估方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及材料评估领域，更具体地说，涉及一种借助计算机辅助仿真实现的材料性能评估方法和系统。
背景技术
[0002] 通常实际工程中所使用的材料性能参数与标准手册中的名义参数之间具有一定差别，这是由于大多数工程材料属复合材料，其材料内部微观组分的差异直接决定了整个材料的宏观力学性能变化，尤其是一些铸造材料、热处理后材料及合金材料等，内部微观组分的配比受到外部工艺、环境因素等影响导致宏观力学性能差异显著。随着机床行业高精度的发展趋势，现代精密机床对材料的性能参数值的准确性要求越来越高，对于微米级的变形已不可忽视，由于材料的性能参数直接决定了材料的力学行为，因此对于整个机床装配体的结构，尤其是大型构件保证性能参数的准确性至关重要。
[0003] 在实际生产中，我们可以对每批来料都做材料测试，但是测试都是以实际工况验证材料的性能，不能准确的判断每批来料的准确材料性能，而精密机床行业主关注的焦点在于组成机床零件在受到拉压弯扭组合工况下零件的变形、破坏、失稳等问题，面对繁冗复杂的工况载荷、连接形式及千变万结构形态，任何工况的改变都可能需要对来料重新进行材料性能测试判断是否满足新工况的要求，这样大量测试工作会给制造业带来巨大负担。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的测试工况发生改变时需要重新进行材料性能测试造成测试工作负担巨大的缺陷，提供一种通过实验和计算机辅助工程仿真准确获取材料性能参数，在通过材料性能参数进行各种工况的模拟测试的材料性能评估方法和系统。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种材料性能评估方法，其中包括步骤：S1、通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；S2、根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；S3、对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回步骤S2；S4、根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。
[0006] 在本发明所述的材料性能评估方法中，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移以及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括仿真的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。
[0007] 在本发明所述的材料性能评估方法中，所述步骤S2包括步骤：S21、根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；S22、设定测试材料的性能参数；S23、在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移。
[0008] 在本发明所述的材料性能评估方法中，所述步骤S22为如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。
[0009] 在本发明所述的材料性能评估方法中，所述步骤S23包括：S231、在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；S232、根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移。
[0010] 本发明还涉及一种材料性能评估系统，其中包括：实验测试模块：用于通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；仿真测试模块：用于根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；参数获取模块：用于对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回所述仿真测试模块进行处理；以及应用模块：用于根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。
[0011] 在本发明所述的材料性能评估系统中，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移以及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括仿真的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。
[0012] 在本发明所述的材料性能评估系统中，所述仿真测试模块包括：模型建立单元：用于根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；设定单元：用于设定测试材料的性能参数；以及仿真单元：用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移。
[0013] 在本发明所述的材料性能评估系统中，如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。
[0014] 在本发明所述的材料性能评估系统中，所述仿真单元包括：仿真子单元：用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；以及优化子单元：用于根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移。
[0015] 实施本发明的材料性能评估方法和系统，具有以下有益效果：通过实验和计算机辅助工程仿真准确获取材料性能参数，再通过材料性能参数进行各种工况的模拟测试，避免了测试工况发生改变时需要重新进行材料性能测试造成测试工作负担巨大的缺陷。附图说明
[0016] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0017] 图1是本发明的材料性能评估方法的第一优选实施例的流程图；
[0018] 图2是本发明的材料性能评估方法的第二优选实施例的步骤S2的流程图；
[0019] 图3是本发明的材料性能评估方法的第三优选实施例的步骤S2的流程图；
[0020] 图4是本发明的材料性能评估系统的第一优选实施例的结构示意图；
[0021] 图5是本发明的材料性能评估系统的第二优选实施例的结构示意图；
[0022] 图6是本发明的材料性能评估系统的第三优选实施例的结构示意图；
[0023] 图7是本发明的特定工况下的力学实验的测试装置示意图；
[0024] 图8是本发明的特定工况下的力学实验的仿真装置示意图；
[0025] 图9是图7装置的测试结果和图8仿真装置的测试结果的对比图。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027] 在图1所示的本发明的材料性能评估方法的第一优选实施例的流程图中，所述材料性能评估方法开始于步骤100，随后，到下一步骤101，通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；随后，到下一步骤102，根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；随后，到下一步骤103，对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回步骤102；随后，到下一步骤104，根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能；最后方法结束于步骤105。本材料性能评估方法通过实验和计算机辅助工程仿真准确获取材料性能参数，再通过材料性能参数进行各种工况的模拟测试，此方法的优越性在于：不仅可以得到材料的真实性能参数，而且能直观获得结构的受力变形情况，同时验证材料选择的合理性，避免了测试工况发生改变时需要重新进行材料性能测试造成测试工作负担巨大的缺陷。
[0028] 作为本发明的材料性能评估方法的优选实施例，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括基于仿真结果的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。通过易观察的变形位移进行特定工况下的力学测试，并通过与仿真测试数据的比较获得材料的真实的性能参数，使得可以根据这些真实的性能参数进行其他各种工况下的仿真测试，得出测试材料在各种工况下的工作性能。
[0029] 在图2所示的本发明的材料性能评估方法的第二优选实施例的步骤S2的流程图；所述材料性能评估方法的步骤S2开始于步骤200，随后，到下一步骤201，根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；随后，到下一步骤202，设定测试材料的性能参数；
随后，到下一步骤203，在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移；最后方法结束于步骤204。在CAD建模环境中建立与特定工况下的力学实验对应的装配体模型，之后将模型导入计算机辅助工程前处理模块，确保仿真计算环境中所建立的有限元模型与实际测试中装配体保持一致，同时对于测试材料赋予材料初始性能参数。有限元仿真计算整个过程主要包括前处理、计算求解及收敛调试和后处理三部分。尤其注意确保仿真模型和实际测试样件具有相同的力学环境。经过收敛调试后，进入后处理模块得到与实际测试类似的变化曲线。
随后，到下一步骤203，在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移；最后方法结束于步骤204。在CAD建模环境中建立与特定工况下的力学实验对应的装配体模型，之后将模型导入计算机辅助工程前处理模块，确保仿真计算环境中所建立的有限元模型与实际测试中装配体保持一致，同时对于测试材料赋予材料初始性能参数。有限元仿真计算整个过程主要包括前处理、计算求解及收敛调试和后处理三部分。尤其注意确保仿真模型和实际测试样件具有相同的力学环境。经过收敛调试后，进入后处理模块得到与实际测试类似的变化曲线。
[0030] 作为本发明的材料性能评估方法的优选实施例，所述步骤S22为如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。这样设置确保初始设置的测试材料的性能参数更加准确，减少对仿真测试的初始条件的调整。
[0031] 在图3所示的本发明的材料性能评估方法的第三优选实施例的步骤S2的流程图；述材料性能评估方法的步骤S2开始于步骤300，随后，到下一步骤301，根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；随后，到下一步骤302，设定测试材料的性能参数；随后，到下一步骤303，在在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；随后，到下一步骤304，根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移；最后方法结束于步骤305。利用优化函数确保了材料合理的性能参数，由于有塑性材料参与计算，因此打开非对称求解器加强收敛性；另外为保证结果的准确性，计算中考虑了重力因素的影响。
[0032] 本发明还涉及一种材料性能评估系统，在图4所示的本发明的材料性能评估系统的第一优选实施例的结构示意图中，所述材料性能评估系统包括实验测试模块1、仿真测试模块2、参数获取模块3以及应用模块4，实验测试模块1用于通过特定工况下的力学实验获得测试材料的实际变形位移；仿真测试模块2用于根据设定的测试材料的性能参数，通过计算机辅助工程仿真所述特定工况下的力学实验获得所述测试材料的仿真变形位移；参数获取模块3用于对所述实际变形位移和所述仿真变形位移进行比较，如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差小于标准值，则认为所述设定的测试材料的性能参数为所述测试材料的实际性能参数；如所述实际变形位移和所述仿真变形位移的偏差大于标准值，则改变所述设定的测试材料的性能参数，返回所述仿真测试模块2进行处理；应用模块4用于根据所述测试材料的实际性能参数，通过计算机辅助工程仿真其他工况下的力学实验获得所述测试材料在各工况下的工作性能。本材料性能评估系统的参数获取模块3通过实验测试模块1和仿真测试模块2准确获取材料性能参数，应用模块4再通过材料性能参数进行各种工况的模拟测试，此系统的优越性在于：不仅可以得到材料的真实性能参数，而且能直观获得结构的受力变形情况，同时验证材料选择的合理性，避免了测试工况发生改变时需要重新进行材料性能测试造成测试工作负担巨大的缺陷。
[0033] 作为本发明的材料性能评估系统的优选实施例，所述实际变形位移包括所述测试材料受压时的实际变形位移以及所述测试材料回弹时的实际变形位移；所述仿真变形位移包括仿真的测试材料受压时的变形位移以及所述仿真的测试材料回弹时的变形位移；所述性能参数为弹性模量、屈服应力以及泊松比。通过易观察的变形位移进行特定工况下的力学测试，并通过与仿真测试数据的比较获得材料的真实的性能参数，使得可以根据这些真实的性能参数进行其他各种工况下的仿真测试，得出测试材料在各种工况下的工作性能。
[0034] 在图5所示的本发明的材料性能评估系统的第二优选实施例的结构示意图中，仿真测试模块2包括模型建立单元21、设定单元22以及仿真单元23，模型建立单元21用于根据所述特定工况下的力学实验建立有限元计算模型；设定单元22用于设定测试材料的性能参数；仿真单元23用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真获得所述测试材料的仿真变形位移。模型建立单元21在CAD建模环境中建立与特定工况下的力学实验对应的装配体模型，之后仿真单元23将模型导入计算机辅助工程前处理模块，确保仿真计算环境中所建立的有限元模型与实际测试中装配体保持一致，同时设定单元22对测试材料赋予材料初始性能参数。有限元仿真计算整个过程主要包括前处理、计算求解及收敛调试和后处理三部分。尤其注意确保仿真模型和实际测试样件具有相同的力学环境。经过收敛调试后，进入后处理模块得到与实际测试类似的变化曲线。
[0035] 作为本发明的材料性能评估系统的优选实施例，如所述测试材料为非线性弹塑性材料，则根据工程经验设定所述测试材料的性能参数；如所述测试材料为弹性材料，则根据线弹性接触理论和小变形假设设定所述测试材料的性能参数。这样设置确保初始设置的测试材料的性能参数更加准确，减少对仿真测试的初始条件的调整。
[0036] 在图6所示的本发明的材料性能评估系统的第三优选实施例的结构示意图中，仿真单元23包括仿真子单元231以及优化子单元232，仿真子单元231用于在计算机辅助工程中加载所述有限元计算模型和所述测试材料的性能参数进行仿真；优化子单元232用于根据仿真结果利用优化函数获得所述测试材料的仿真变形位移。优化子单元232利用优化函数确保了仿真子单元231获得材料合理的性能参数，由于有塑性材料参与计算，因此打开非对称求解器加强收敛性；另外为保证结果的准确性，计算中考虑了重力因素的影响。
[0037] 本发明是一种通过计算机辅助工程计算来确定材料宏观力学性能参数的方法和系统，利用仿真计算的先天优势弥补工程测试实验的缺陷，在保证材料可靠性的同时，降低了实验成本，缩短了研发周期。
[0038] 本发明的技术方案是用物理方法来测定均匀体的力学行为，通过模拟特定工况的特制工装实现力传感器和位移传感器数据的同步采集，从而获得材料的实际变形位移，进一步将此材料实验结合有限元仿真计算最终获得材料的实际力学性能参数，具体实施过程如下：
[0039] 1、设计力学实验工装完成加载实验。
[0040] 本实验工装设计的宗旨是通过进给机构的缓慢加载完成试件的压变形实验，此工装承载了力和位移数据的同步测量，为在测试过程中同时记录下压位移数据及接触反力数据，因此搭载了力传感器和位移传感器及终端反馈系统。
[0041] 2、标准实验样件加工。
[0042] 压变形实验的承载体即实验样件，通常为便于测试实验和仿真计算将其制成标准样件，其形状可以是圆柱棒或长方条型，同时应根据所测材料的力学性能初步判断其抵抗弯矩的量级，为避免加载困难应初步计算材料的截面贯性矩，确定样件合理的宏观尺寸。
[0043] 3、样件位移加载测试及结果输出。
[0044] 利用自制手动加载装置进行缓慢加载模拟试件受压的准静态过程；利用力采集系统和力传感器采集力信号；利用位移采集系统和位移传感器采集样件变形。将各自终端输出的离散点数据进行处理，得到接触反力随位移变化曲线。
[0045] 4、有限元建模及初始力学参数假设。
[0046] 在CAD建模环境中建立与测试实验对应的装配体3D模型，之后将3D模型导入计算机辅助工程前处理模块，确保仿真计算环境中所建立的有限元模型与实际测试中装配体保持一致，同时对于测试材料需根据工程经验赋予材料初始性能参数。
[0047] 5、有限元仿真计算与结果后处理。
[0048] 有限元仿真计算整个过程主要包括前处理、计算求解及收敛调试和后处理三部分。尤其注意前处理的力及位移载荷等边界条件的施加应确保仿真模型和实际测试样件具有相同的力学环境。经过收敛调试后，进入后处理模块得到与实际测试类似的接触反力随位移变化曲线。
[0049] 6、力学参数优化确定材料实际力学性能。
[0050] 将有限元仿真结果与实际测试数据进行对比，选取相应的优化目标函数，当两者的变化曲线满足给定的目标函数时即可求出材料的真实性能参数值，若不满足，更改初始假设，循环整个上述求解过程，直至给定的材料性能参数满足优化条件，终止计算。
[0051] 下面通过本发明的材料性能评估方法的具体实施例说明本发明的上述具体实施方式：
[0052] 本发明的目的是通过压变形实验和计算机辅助工程计算相结合的方式量化试验材料的力学性能参数。对于材料的选取只要在线弹性范围以及金属初始塑性屈服阶段内均不限制，可选取任意自制的标准样件进行测试，实施过程不拘泥于实验与仿真的任一过程，而是从实验与仿真相互校验的过程中得到材料的真实表观力学性能参数，对于构件的强度设计及可靠性分析具有重要意义。
[0053] 1、工装结构设计及标准样件制作
[0054] 实验工装主要完成力学测试实验接触力数据和位移数据的同步采集，结构部分如图7所示，整个测试系统包括工作压力轴71、手动进给机构72、手动定位机构74、试料75、压电石英力传感器73、位移传感器77及支撑机构76，其中压电石英传感器73和位移传感器77分别用于测量接触反力和下压位移并可通过各自系统终端记录测试数据，本测试特制的试料75为ZL104圆柱棒料，截面尺寸φ20mm，长度200mm。
[0055] 2、标准样件压变形测试实验及数据整理。
[0056] 测试过程中，将试料75置于支撑机构76上，并保证试料75中心线与工作压力轴71中心线垂直，使得被测试料75顶部和底部分别正接触于压电石英力传感器73和位移传感器77，通过手动定位机构74和手动进给机构72控制压电石英力传感器73的下压位移，试料75在受到不断加大的下压接触力后产生弯曲变形，之后将变形位移传递给底部接触的位移传感器77，因此在下压变形过程中，通过压电石英力传感器73和位移传感器77可以同步测量位移和时间以及力随时间变化的数据。根据上述实验数据，进一步数据处理消去时间变量，因此可以求得接触反力随位移变化的离散采样点的数据曲线。
[0057] 3、有限元建模及初始材料参数假设。
[0058] 对于材料实验的仿真采用位移加载的方式进行，由于不考虑材料率相关性的影响，且加载过程十分缓慢，因此忽略了时间因素，属静力分析的范畴。模型实体结构在CAD环境中建立，去掉冗余部分后导入计算机辅助工程前处理模块，有限元计算模型如图8所示，整个结构包括试验材料81，压头82和底部支撑83三部分。试验样件材料为铸铝104，由于样件实际材料参数可能与名义值有显著差异，因此需对其力学性能参数进行初始假设，本仿真过程假设材料弹性模量E为6.9E+5Mpa，泊松比v为0.3，屈服应力230Mpa。
[0059] 4、有限元计算分析及结果后处理
[0060] 在计算机辅助工程仿真中用相同的加载方式计算试验材料81在受到压头82不同下压位移下的受力变形情况，特别是塑性变形区域的应力场分布，其中实验数据一方面可以作为仿真计算的输入，另一方面可以与仿真计算结果对比，利用优化函数确定材料合理的力学参数。本仿真分析由于有塑性材料参与计算，因此打开非对称求解器加强收敛性。另外为保证结果的准确性，计算中考虑了重力因素的影响。
[0061] 仿真计算是对压头82与试验材料81相互作用一个周期过程的模拟，包括下压过程中试验材料81的受力变形情况和回弹过程中应力场分布情况及残余应力大小。本仿真计算过程与实际测试中的位移加载保持一致，下压位移为1mm时计算终止，计算在不同时刻即不同下压位移下试验材料81的受力变形情况，回弹过程中，由于过程缓慢不考虑时间因素的影响，仍视为静态过程，随着压头位移反向撤离，试料应力变形不断减小，同样计算在不同时刻即不同下压位移下试验材料81的受力变形情况。
[0062] 5、仿真计算数据与测试数据对比。
[0063] 由上所述我们已经通过实验和仿真两种手段分别获得了材料性能的原始数据，一方面通过压电石英力传感器73和位移传感器77获取数据间接得到基于实验的力随位移变化曲线，另一方面通过对实验工装结构简化建立相应有限元模型，进行仿真计算，将结果后处理得到基于数值模拟的力随位移变化曲线，现将两条曲线数据进行对比如图9所示，仿真和实验结果曲线由离散点的数据组成。通过计算两条曲线的吻合程度，结果表明，实验结果和仿真结果最终得到了吻合，从而可以证明我们初始假设的力学性能参数代表了此批样件材料的真实力学特性。
[0064] 6、材料力学性能参数优化分析
[0065] 若上述步骤5中仿真计算的结果和实际测试的结果差异显著，则表明我们初始假设的力学性能参数并没有真实的反应此批来料的实际性能参数，因此需根据工程经验调整初始假设，重新进行有限元计算，通过结果后处理再次和实验结果进行比对，不断循环此过程，直至仿真结果与实验结果达到吻合。此参数优化的过程中，可根据如下目标函数(1)来判断两条结果曲线的吻合程度，若偏差大于给定的标准值则认为两条曲线吻合程度不好，需调整参数重新计算，若偏差小于等于标准值，则表示两条曲线吻合良好，可确定最终力学性能参数。
[0066]
[0067] 其中i为选取离散数据个数， 为实验测试接触力， 为仿真结果接触力，这里的目标函数的选取以及采样点的选取可根据实际情况而定，一般对于普通的屈服性能典型曲线可自行选取其他类型目标函数，显然选取的采样点越多，曲线吻合程度越好。
[0069]
[0070] 其中，F为压力，δ为压头压痕深度，R为钢球半径，对于各向同性材料体剪切模量和弹性模量之间的关系我们可以得到材料的表观弹性模量，如下公式(3)所示：
[0071] E＝2G(1+υ) (3)
[0072] 其中，υ为泊松比，对于不可压缩材料υ＝0.5。
[0073] 7、真实材料力学性能参数获取。
[0074] 如上所述，本发明利用仿真方法对相同实验物理过程进行了静力计算，若仿真中选择的初始材料参数使得仿真计算结果和实验结果达到了吻合，即材料性能真实反映了此批来料的力学性能，则初始假设满足要求，即确定了该材料的真实特性，为后续其他工况载荷计算即构件刚度、强度、可靠性分析提供了数值依据。反之若实验和放着结果不吻合，则需根据工程经验或相关理论更改初始假设，利用目标函数判断结果的吻合程度，并重复循环此过程，直到获得合适的材料性能参数为止。本仿真计算例中对AL104材料的初始假设为弹性模量E为6.9E+5Mpa，泊松比v为0.3，屈服应力230Mpa，与材料实验结果达到了很好的吻合，因此可确定此批来料的材料力学性能，为后续构件设计提供重要数值依据。
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