基于纳米压痕技术的弹塑性材料本构关系反演测量方法研究

论文摘要

纳米压痕技术也称深度敏感压深技术,是一种先进的无损检测技术,可以有效地在纳米尺度下测量材料的力学性能,具有非常广阔的应用前景。纳米压痕技术的主要原理是测试压头作用在微/纳米尺度的小体积内,提取材料的力学响应,并根据获得的材料加载和卸载响应曲线(载荷—位移曲线)来研究材料的力学性能。随着数值技术的完善和提高,基于纳米压痕技术的反演测量法成为研究的热点,该方法主要是通过反向分析载荷—位移曲线进而获得材料更多的力学性能参数。本文首先系统地介绍了纳米压痕技术的基本原理,对其中涉及的实验装置、测试原理以及力学理论进行了分析。详细说明了基于纳米压痕技术的反演测量方法,利用量纲分析法得出影响实验结果的因素,并建立了MATLAB和ANSYS联合反演的半封闭测量方法,为本文的研究提供了理论和实践的基础。其次,利用ANSYS建立弹塑性材料的压痕实验模型并在反演测量中引入压痕轮廓信息。建立了球形、锥形压头的二维、三维几何模型,并对纳米压痕实验过程进行数值模拟,将数值模拟得到的数据与实验数据进行对比,验证了数值模型的有效性;分析了不同实验因素对压痕形貌周围凸起和凹陷现象的影响,并对球形、锥形压头作用下压痕形貌周围凸起和凹陷现象发生的规律进行分析;针对基于纳米压痕技术反演测量材料本构关系结果不准确、不唯一的问题,本文提出引入压痕轮廓信息来提高材料本构关系测量精度,通过实例证明引入压痕轮廓信息确实可以提高材料本构关系反演测量的准确性和唯一性。再次,提出多算法联合优化策略。对常用优化方法的原理进行介绍,并将各优化方法应用在纳米压痕反演识别的计算中。实验发现,优化反演分析过程中对目标函数的求解需要利用优化算法进行大量的迭代计算,单一的优化算法由于自身的缺陷通常陷入局部解或是求解时间长,导致计算结果不对或是计算效率低。为了解决上述问题,本文提出多种优化算法联合的优化策略,综合利用各优化算法的特点,提高反演计算的效率和精度。通过实例证明了本文所提出的多算法联合优化策略在材料参数反演测量中可以显著提高测量结果的精度和效率,对工程中类似的反演分析问题具有一定的借鉴意义。最后,以纯铜和纯钨为试样,通过纳米压痕设备获得载荷—位移曲线和三维压痕形貌等实验数据。对应地在反演分析法中引入压痕轮廓信息并应用联合优化策略对纯铜的材料参数进行反演识别,结果表明本文所建立的基于压痕实验的弹塑性材料本构反演分析法能高效、准确地对试样的非线性材料模型参数进行反演识别。

论文目录

摘要

Abstract

1.绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 纳米压痕技术研究现状

1.2.2 材料参数反演识别研究现状

1.3 本文主要研究内容

2.纳米压痕测试技术的基本原理及其反演方法

2.1 纳米压痕测试系统

2.1.1 纳米压痕实验装置的组成

2.1.2 纳米压痕实验常用压头介绍

2.2 纳米压痕测试技术的基本原理

2.3 量纲分析法

2.3.1 量纲理论的基本概念

2.3.2 纳米压痕问题的量纲分析

2.4 有限元法

2.5 本章小结

3.纳米压痕过程仿真分析及压痕形貌的研究

3.1 纳米压痕三维有限元仿真

3.1.1 基本物理量单位的设置

3.1.2 几何模型的建立

3.1.3 材料模型的建立

3.1.4 有限元网格的划分以及边界条件的设定

3.1.5 有限元载荷以及载荷步的设定

3.2 二维仿真模型的建立

3.3 纳米压痕有限元模型的验证

3.3.1 锥形压头的有限元模型验证及其可行性分析

3.3.2 球形压头的有限元模型验证及其可行性分析

3.4 材料压痕形貌凸起和凹陷现象的影响因素分析

3.4.1 不同加工硬化指数对压痕形貌的影响

3.4.2 不同压入深度对压痕形貌的影响

3.4.3 不同yE? 对压痕形貌的影响

3.4.4 不同压头半径对压痕形貌的影响

3.5 压痕形貌产生凸起和凹陷现象的规律研究

3.6 引入压痕轮廓信息对反演结果精度的影响

3.7 本章小结

4.反演分析法中优化算法的研究

4.1 传统最优化算法

4.1.1 传统最优化算法的基本结构

4.1.2 几种最优化算法介绍

4.2 直接搜索法和智能算法

4.2.1 遗传算法

4.2.2 复合形法

4.3 优化目标函数的确定及计算

4.4 灵敏度系数的计算

4.5 材料参数反演识别中单一优化算法比较

4.6 基于联合优化策略的材料力学参数反演识别

4.7 本章小结

5.金属材料的纳米压痕实验及其本构关系的反演分析

5.1纯铜和纯钨的纳米压痕实验

5.1.1 实验仪器

5.1.2 实验试样的制备及实验方案

5.1.3 实验数据分析及处理

5.2 纯铜材料的本构关系反演分析

5.2.1 纳米压痕有限元模型

5.2.2 纯铜纳米压痕实验结果

5.2.3 材料参数反演识别结果及误差分析

5.3 本章小结

6.总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闫鹏

导师: 李淑娟,郭伟超

关键词: 纳米压痕,反演测量,本构关系,压痕轮廓,联合优化

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金青年科学基金项目(项目编号51505377),教育部留学回国人员科研启动基金项目(项目编号102-421415003),中国博士后科学基金会(2016M592821),陕西省自然科学基础研究计划-面上项目(项目编号2017JM5102)

分类号: TB301

总页数: 77

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