金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定方法及測(cè)試結(jié)果分析

郝 芯，吳翠紅，郭士茹

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院、吉林 長(zhǎng)春 130000）

金屬材料性能在生產(chǎn)線的作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變化效果。遇到?jīng)_擊載荷的頻率不斷增加時(shí)，金屬材料性能會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)幅度，進(jìn)而形成金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲。因此需要對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)定。金屬材料在實(shí)際生產(chǎn)過程中，其不斷反復(fù)運(yùn)動(dòng)的位置可稱之為原位三點(diǎn)，其產(chǎn)生的原位三點(diǎn)彎曲特征實(shí)質(zhì)上是相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)不斷變化產(chǎn)生的結(jié)果。通過原位三點(diǎn)彎曲特征，可以在一定范圍內(nèi)，確定金屬材料的特定數(shù)據(jù)，并代表其實(shí)際的運(yùn)行程度和模型模式。針對(duì)金屬材料性能的測(cè)定方法是確定金屬材料性能的有效途徑，能夠很好地應(yīng)用在金屬材料的使用方面[1]。以往采用的針對(duì)金屬材料性能的測(cè)定方法主要是通過測(cè)定裝置，測(cè)定金屬材料的原位三點(diǎn)彎曲性能，但該裝置無法隨著金屬材料應(yīng)力變化的改變而變化，導(dǎo)致其測(cè)定結(jié)果存在精準(zhǔn)度低，誤差大的現(xiàn)象。因此，有必要針對(duì)金屬材料性能的測(cè)定方法展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定方法是通過確定金屬材料性能的原位三點(diǎn)，通過有限元分析的方式，分析金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲情況，精確金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲程度[2]?；诖耍疚奶岢鼋饘俨牧闲阅艿脑蝗c(diǎn)彎曲測(cè)定方法，并針對(duì)該方法下得出的測(cè)試結(jié)果加以分析，致力于在提高金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)試精度的同時(shí)，確保金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果能夠?yàn)榻饘俨牧系暮侠響?yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定方法

1.1 提取金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息

在金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定過程中，必須預(yù)先提取金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息。本文離散元法，在節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的情況下，以原位三點(diǎn)為基礎(chǔ)，獲取金屬材料性能峰值。并基于有限元分析中的分片函數(shù)，修正金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定過程中存在的誤差，利用修正系數(shù)使得金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定的權(quán)重比例總是向著峰值訓(xùn)練誤差減小的方向進(jìn)行修改[3]。與傳統(tǒng)測(cè)定方法相比，通過基于有限元分析計(jì)算分析峰值修正系數(shù)，迭代求解，能夠提取金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息。設(shè)此過程的目標(biāo)函數(shù)為s，可得公式（1）。

公式（1）中，r指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)支撐力；V指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)偏移量；x指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)滾動(dòng)摩擦系數(shù)；I指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)空間坐標(biāo)；R指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息之間的重要度；n指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)屈服應(yīng)力；T指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)可塑性。通過公式（1），在三維坐標(biāo)系中標(biāo)出相應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)，分別作為金屬材料性能的原位三點(diǎn)，通過點(diǎn)位支持，提取金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息。

1.2 模擬金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載狀態(tài)

在提取金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲多源信息的前提下，本文運(yùn)用二次拋物線原理，模擬金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載力，以二次拋物線的高度代表模擬金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲當(dāng)下的荷載力[4]。設(shè)二次拋物線的高度為y，可得公式（2）。

公式（2）中，x指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)硬度；1ε指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)最大承載力；2ε指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)跨距；r指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彈性模量。通過公式（2），可推導(dǎo)出金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲狀態(tài)計(jì)算理論模型[5]。設(shè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為M，可得公式（3）。

公式（3）中，σ指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)所受荷載強(qiáng)度；β指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)最大承受剪應(yīng)力；b指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)內(nèi)力的摩擦角；a指的是粘聚力；n指的是膨脹角度，為實(shí)數(shù)；f指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)值。利用金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲狀態(tài)計(jì)算理論模型，進(jìn)而判斷出此時(shí)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載狀態(tài)。通過金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載狀態(tài)計(jì)算理論模型中的自變量可以得出金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載狀態(tài)的主要影響因素為：金屬材料性能的原位三點(diǎn)所受荷載強(qiáng)度、摩擦角、粘聚力以及膨脹角度。在運(yùn)用金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲狀態(tài)計(jì)算理論模型的過程中，必須對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲受力點(diǎn)位置進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，防止由于點(diǎn)位不準(zhǔn)確造成金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定參數(shù)誤差大的問題[6]。以計(jì)算得出的金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲狀態(tài)為依據(jù)，分析金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

1.3 建立金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

在完成金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲荷載狀態(tài)模擬后，分析金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。本文通過建立金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，分析金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變的具體情況[7]?？梢詫⒔饘俨牧闲阅艿脑蝗c(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系視為一種曲線關(guān)系，如圖1所示。

圖1 金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖1中，f0指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變的最大值，代表金屬材料性能的原位三點(diǎn)所能承受的最大應(yīng)力；gt指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲與地面之間的夾角。根據(jù)圖1可知，金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變會(huì)影響金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲的基礎(chǔ)偏差范圍[8]。金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力越大，造成的金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲基礎(chǔ)偏差越大，導(dǎo)致金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲現(xiàn)象越嚴(yán)重。隨著應(yīng)力作用下，金屬材料性能的原位三點(diǎn)抗壓強(qiáng)度越來越低，同樣也會(huì)導(dǎo)致金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，必須根據(jù)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算金屬材料性能的原位三點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度，將金屬材料性能的原位三點(diǎn)所受應(yīng)力控制在可承受范圍內(nèi)，為下一步基于有限元分析測(cè)定金屬材料性能原位三點(diǎn)彎曲做準(zhǔn)備。設(shè)金屬材料性能的原位三點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度為ω，則有（4）。

通過公式（4），得出金屬材料性能的原位三點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)多次計(jì)算，可以將金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模擬為：

1.4 基于有限元分析測(cè)定金屬材料性能原位三點(diǎn)彎曲

通過建立金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，基于有限元分析測(cè)定金屬材料性能原位三點(diǎn)彎曲。本文基于有限元分析，將復(fù)雜的金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定問題轉(zhuǎn)換為金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲撓度計(jì)算問題[9]。設(shè)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲撓度表達(dá)式為p，可得公式（5）。

公式（5）中：i指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲取值范圍，通常為[0-1]；e指的是金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲程度。結(jié)合上述計(jì)算公式，可得出金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲撓度。除此之外，應(yīng)考慮金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲撓度壓縮形變的絕對(duì)大小，獲取其絕對(duì)數(shù)值，擬合曲線方程，得出金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果。

2 金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

構(gòu)建金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)試，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某金屬材料，其基礎(chǔ)參數(shù)，如表1所示。

表1 某金屬材料基礎(chǔ)參數(shù)

結(jié)合表1所示，首先使用本文設(shè)計(jì)測(cè)定方法測(cè)定金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲，通過matalb軟件記錄其測(cè)定誤差，設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)測(cè)定方法測(cè)定金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲，同樣通過matalb軟件記錄其測(cè)定誤差，設(shè)置為對(duì)照組。由此可見，本文實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)為兩種測(cè)定方法下測(cè)得的金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲結(jié)果與實(shí)際之間的誤差，測(cè)得的金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲結(jié)果與實(shí)際之間的誤差越小，證明該測(cè)定方法針對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定精度越高。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置測(cè)定次數(shù)為10次。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示：

表2 金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定結(jié)果對(duì)比表

由表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)測(cè)定方法金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定結(jié)果與實(shí)際相比誤差明顯低于對(duì)照組。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的測(cè)定方法與傳統(tǒng)測(cè)定方法相比各項(xiàng)性能更加優(yōu)越，利用本文測(cè)定方法對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲進(jìn)行測(cè)定具有一定的可行性，且測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性更高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲的準(zhǔn)確測(cè)試。

3 結(jié)束語

本文通過實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)測(cè)定方法在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定中存在的誤差高的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對(duì)金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為提高金屬材料性能的原位三點(diǎn)彎曲測(cè)定質(zhì)量提供建議。