连续球压痕实验学习与应用平台

杨 滨， 孔德胜， 邵晓明， 柏钦成， 胡沛语， 李玫蓁

（1.中国石油大学（华东）新能源学院，山东 青岛 266580；2.淄博市产品质量检验研究院，山东 淄博 255000）

0 引 言

传统承压设备及管道检测只能针对缺陷、腐蚀、泄漏等问题，无法体现设备的剩余强度（材料的力学性能），在完整性评估方面存在很大的局限［1］。连续球压痕实验作为一种非破坏性的力学性能测试方法，在服役运行设备老化程度监测、检测方面具有广阔的应用潜力［2］。在国家大力推广新工科教育的背景下，连续球压痕实验已作为创新型试验引入大学生创新、创业项目。通过该实验可以让学生更深刻、形象地理解材料力学中的塑性变形、弹性回复、应变强化等问题，同时还可以引导学生了解特种承压类设备及管道监测、检测及安全评价等科技前沿的基础专业知识，强化学生对工程问题的理解和认识。Matlab／APP设计工具是一种新型的图形用户界面开发方式，可方便实现教学科研等用户的特定操作需求。使用者不需要学习复杂的代码，只需了解具体操作步骤，即可方便操作界面［3-6］。

本文设计了一种基于Matlab／APP设计工具的连续球压痕学习与应用平台。学习型使用者可通过对连续球压痕实验流程认识和了解材料力学中的弹塑性变形问题，有助于感受书本知识与工程应用直接的联系和区别。该平台利用压痕仪器获得的载荷-深度数据进行真应力、真应变［7］、屈服强度和拉伸强度的运算。使用者无需学习相应理论只需要将获取数据正确输入到平台，然后启动算法模块便可计算输出应力、应变、屈服强度和拉伸强度等力学性能。使用该平台能大幅节省使用者的数据运算时间，同时可以随时对数据进行调整获取最新结果，进一步提高研究效率。

1 虚拟实验平台的整体架构设计

连续球压痕实验学习与应用平台（后简称：应用平台）的结构和主要功能如图1所示。平台主要由主页面、表格查看与修改界面、图像绘制界面组成。主页面中包含基本数据输入、数据文件查找、方法选择、数据处理与运算和数据储存与输出等模块；表格页面包含表格数据初始化、插入和删除等模块；图像绘制界面包含图像绘制和结果输出等模块。数据文件查找模块支持各种表格文件和文本文件；方法选择模块提供了两种理论的真应力、真应变的计算方法；数据处理与运算模块整合了外部数据的标准单位化以及中间数据（如压痕投影直径和线弹性约束因子）的复杂计算；通过表格页面数据的快速删减能够高效率的得出准确结果，同时可研究相关参数对材料力学性能的影响。实验平台所有界面均使用Matlab／APP设计工具设计，通过编写回调函数实现相关功能［8-9］。

图1 应用平台结构与功能示意图

2 实验学习与应用平台的实现

2.1 主界面设计

应用平台的初始化页面如图2所示，用户了解平台使用方法后点击“进入主页面”按钮进入如图3所示的主界面，其特点为设计简洁，操作明了。主界面中包含基本数据输入，数据文件查找，方法选择，数据处理与运算和数据储存与输出等模块。

图2 应用平台初始化界面

图3 应用平台主界面

2.2 数据传入模块

采用EditField和Button控件设计数据文件查找模块，该模块由图3中的“文件地址”文本框和“文件查找”按钮组成，主要功能是打开如图4所示的文件选择对话框获取需要计算的数据文件。用户将试样弹性模量、压头弹性模量和压头直径键入到相应位置后，点击“文件查找”按钮，随即弹出对话框，找到相应的数据文件并点击图4页面中‘确定’按钮，文件位置便显示在“文件地址”文本框中。为便于用户使用，该模块提供了多种表格文件（csv文件；xlsx文件；.xls文件）和文本文件（txt文件）的数据读取。

图4 用户选择数据文件页面

2.3 数据处理与运算模块

数据处理与运算模块是应用平台的核心部分，该模块包括数据标准单位化、数据整体化、理论推导和经验换算法4部分，该模块由“计算”按钮的回调函数结合waitbar句柄以及私有函数Diedai＿dp（app，HP，Zaihe）实现。

应用平台主要处理最大压入深度、最大压入载荷、卸载曲线斜率［11］和残余压痕深度4组数据。其中，最大压入深度和最大压入载荷两组数据为两种理论方法的必要数据。此外，理论推导的计算需要卸载曲线斜率，而经验换算法的计算需要残余压痕深度，即输入最大压入深度、最大压入载荷＋卸载曲线斜率／残余压痕深度就可获得测试材料的拉伸性能［12-15］。

用户数据文件的数据顺序和数据单位各有不同，为便于用户使用计算平台设计了如图5所示的数据调整工作区。数据调整工作区由4组8个下拉选择框组成，分别对应最大压入深度、最大压入载荷、卸载曲线斜率和残余压痕深度4类数据，用户在使用时可以根据图9数据表格中的数据顺序做出适当调整，其中最大压入载荷提供了kgf、kN、N 3种单位，最大压入深度和残余压痕深度提供了μm、mm 2种单位，卸载曲线斜率提供了kgf／μm、N／μm、N／m 3种单位。数据标准单位化主要是根据用户提供的数据和单位将数据化为国际标准单位数据并储存起来。

图5 数据调整工作区

应用平台的理论推导法需将采集的深度信息转化成接触面积信息，这一过程需要考虑压头下压过程中产生的塑性堆积和沉入的情况（见图6［9］）。该算法模块中依次嵌入了图6中的hd、hc*、hpile*、hc、Ac等相关参数的计算，利用接触面积Ac、载荷Fmax、接触角θ、塑性约束因子Ψ等参数来确定真应力σT、真应变εT。

图6 压痕沉入-堆积示意图

图中：hmax为压头一次加载的最大深度；hd为卸载完恢复弹性形变后的压入深度；hpile为压痕堆积与压头接触的最高点到基准平面的高度；hc为压痕堆积与压头接触的最高点到最大深度处的距离；R为压头的半径。

应用平台的经验换算法需要通过弹性理论、塑性理论及半经验公式，换算得到材料的拉伸性能［2］。压痕几何尺寸如图7所示。该算法中依次嵌入总压痕直径dt、塑性直径dp、塑性变形约束效应有关的常数Φ和δ和屈服参数A等相关参数的计算，其中塑性直径dp需由计算机迭代计算得到。

图7 压痕几何尺寸图

图中：ht为最大压入深度；hp为残余压痕深度；dt为最大压痕直径；dp为塑性直径。

3 数据查看与修改功能

为增加用户处理数据的灵活性，数据交互功能开发出如图8所示的可编辑表格界面。采用EditField、Button和UITable控件，设计“数据查看与修改”界面。具体包含：“行数”“列数”“删去某行”数字编辑文本，“初始化表格”“添加一行”“删去一行”“数据确认并返回”按钮。用户可以依据自己的需求，进行查看、修改、重新编写等操作。例如：点击“添加一行”按钮可以在数据表的最后一行增加一行空白数据组；在“删去某行”文本键入要删去的行数并点击“删除一行”按钮，可以删除指定的文本行；在“行数”和“列数”文本键入相应的行数和列数，点击“初始化表格”按钮，可以生成新的空白表格。该功能的实现所使用的回调函数包括ButtonPushed、Button＿2Pushed、Button＿3Pushed和Button＿4Pushed。

2.肝型。常表现为慢性，病程1～3个月，多见于60～90日龄的仔兔。早期表现为精神不振，体况较差，厌食、消瘦、虚弱，轻度腹泻或便秘，腹围增大和下垂，肝部肿大，触诊肝区疼痛；后期口、鼻、眼黏膜见于黄染，并出现四肢麻痹，尤以后肢为甚，最后下痢，脱水、衰竭而死，幼兔常见于神经症状(痉挛或麻痹)，除幼兔严重感染外，很少死亡。

图8 用户数据查看与修改界面

4 绘图功能

应用平台的绘图界面如图9所示，主要包括图像绘制和拉伸性能计算模块。绘图界面由2个坐标区和4个不可编辑数字文本框组成，所用到的组件有UIAxes和EditField。该页面的启动函数被嵌入主界面“计算”按钮的回调函数中，主要功能是将主界面中“数据处理与运算模块”整理好的原始数据组绘制成压入载荷-压入深度曲线。同时，将计算得到的应力应变数据组按照本构方程进行拟合（本构方程为σ＝Kεn），并得到K值和n值。最后，拟合好的应力-应变曲线计算拉伸强度和屈服强度。用户在使用时将数据输入平台后点击计算按钮，该界面会自动调出并绘制出图像，同时将计算出来的K值、n值、拉伸强度和屈服强度等数据传入主页面表格中保存起来，供用户将数据导出。

图9 连续球压痕实验学习与应用平台的绘图界面

5 平台的测试验证

通过APP设计工具将文件zhuyemian.mlapp，biaoge.mlapp，huitu.mlapp打包成可以在Matlab-APP中安装的.exe安装包，共享文件后可在用户计算机Matlab中完成安装并使用此APP。

利用应用平台对压痕仪器获得的12Cr1MoV材料载荷-深度曲线进行取点运算，已知压头直径为0.5 mm，压头弹性模量为710 GPa，试样弹性模量为214 GPa。计算示例如图10所示，理论推导得到的拉伸强度为458 MPa、屈服强度为297 MPa；经验换算得到的拉伸强度为462 MPa、屈服强度为349 MPa。多次数据测试结果显示拉伸强度与屈服强度结果相对较稳定，两种算法获取的抗拉强度吻合良好，屈服强度存在约15%的相对误差。这主要与塑性直径dp的计算差异有关，需要以后开展进一步的研究。

6 结 语

基于Matlab／APP设计工具开发的应用平台，利用压痕仪器获得的载荷-深度曲线中的重要数据进行真应力、真应变、屈服强度和拉伸强度的运算，大幅度节省了数据运算时间，提高了研究效率。通过实验平台的长期运行与补充，本文所开发的应用平台具有设计简单、可再开发性强、操作人性化等优点。