淺析金屬材料試驗(yàn)中計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

劉亦晴

摘 要：本文以金屬材料試驗(yàn)中計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用為中心，首先分析了在金屬材料試驗(yàn)中引入計算機(jī)技術(shù)的必要性，其次介紹了金屬材料力學(xué)試驗(yàn)的分類及金屬材料壽命的預(yù)測方法，再次分析了金屬材料試驗(yàn)中引入計算機(jī)技術(shù)的瓶頸，最后介紹了實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的主要方法。

關(guān)鍵詞：金屬材料;力學(xué)試驗(yàn);計算機(jī)技術(shù)

為準(zhǔn)確了解金屬材料在實(shí)際工況下的力學(xué)特性和失效模式，必須通過專門的試驗(yàn)設(shè)備對金屬材料零部件進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室通常會配備拉伸、沖擊、壓縮、高溫等一系列試驗(yàn)設(shè)備。為了對眾多的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行有效管控，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，同時節(jié)約試驗(yàn)員人力成本，很多試驗(yàn)室都面臨著如何應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對不同類別、不同生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的難題。試驗(yàn)室系統(tǒng)軟件需統(tǒng)籌管控全部試驗(yàn)設(shè)備，具備與多個試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)軟件對接的能力，具備數(shù)據(jù)實(shí)時性抓取和存儲的能力，同時要面向用戶提供友好的操作界面，使用戶可以高效便捷地訪問、查詢、修改試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過引入計算機(jī)相關(guān)技術(shù)，試驗(yàn)室各設(shè)備由一個頂層軟件監(jiān)控，各設(shè)備相當(dāng)于系統(tǒng)軟件的子模塊，模塊化的設(shè)計可以為后續(xù)追加設(shè)備預(yù)留一定的接口，當(dāng)試驗(yàn)室擴(kuò)充設(shè)備時僅在原程序的框架內(nèi)做必要的設(shè)置即可。

1 在金屬材料試驗(yàn)中引入計算機(jī)技術(shù)的必要性

金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用，對于很多長時間運(yùn)行在高溫條件下的設(shè)備，都采用了耐熱鋼和耐高溫合金材料。為了確保設(shè)備中的金屬部件穩(wěn)定運(yùn)行，必須對所使用金屬材料的力學(xué)特性有較為精準(zhǔn)的了解，特別是其在高溫條件下的力學(xué)特征。力學(xué)性能試驗(yàn)是掌握金屬材料力學(xué)性能的重要手段，通過提供精確的試驗(yàn)結(jié)果，避免不合格的材料應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。通常情況下機(jī)器設(shè)備中的關(guān)鍵零部件在高溫下的性能、耐久性、壽命等均有很高的設(shè)計要求，為了確保零部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)，完善的試驗(yàn)設(shè)備為各項(xiàng)試驗(yàn)提供可靠的測試手段，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可判定出關(guān)鍵零部件的性能。當(dāng)需要分析的零部件數(shù)量較多或者單個零部件試驗(yàn)項(xiàng)目較多時，通常需要多臺試驗(yàn)設(shè)備連續(xù)測試，對設(shè)備的管理和對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理難度不斷增加，人工對應(yīng)的效率往往無法滿足需要。

隨著計算機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，在金屬材料試驗(yàn)方面也逐步應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)，各種高精度金屬材料試驗(yàn)設(shè)備由手工操作向自動化控制進(jìn)化，在進(jìn)行試驗(yàn)之前可以根據(jù)需要設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)備即可按照設(shè)定的程序自動完成相關(guān)試驗(yàn)，減少了試驗(yàn)人員的工作量，提高了試驗(yàn)設(shè)備的開動率。試驗(yàn)員可以實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行情況，調(diào)取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)設(shè)備可以自動存儲全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算機(jī)軟件還可以進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和整理，減少研究人員統(tǒng)計和匯總數(shù)據(jù)的工作量，從而進(jìn)一步提升試驗(yàn)效率。在試驗(yàn)設(shè)備中引入計算機(jī)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)設(shè)備硬件的控制和集中統(tǒng)一管理，也通過配套的軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管控，基于網(wǎng)絡(luò)的軟件可以對不同試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，通過橫向比較不同試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，對零部件性能作出更智能化的分析。

2 金屬材料力學(xué)試驗(yàn)分類

2.1 金屬材料的主要力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指在不同的溫度等外部條件下，對金屬材料實(shí)施沖擊、拉伸、壓縮等不同類型的載荷后材料所呈現(xiàn)的力學(xué)特征，包括強(qiáng)度、塑性、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌度等。金屬材料的強(qiáng)度是其在固定載荷作用下承受變形的能力，通常通過抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測量材料的彈性極限、屈服點(diǎn)等來判別金屬的強(qiáng)度;金屬材料的塑性是指其在固定載荷作用下發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力，通常用斷面收縮率和斷后伸長率來評價;金屬材料的硬度是指其表面抵抗外部施加壓力的能力;金屬材料的沖擊韌度指其抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力;金屬材料的疲勞強(qiáng)度指其在多次交變載荷作用下而不被破壞的最大應(yīng)力值。

2.2 金屬材料的試驗(yàn)方法

金屬材料的拉伸試驗(yàn)是力學(xué)性能較為常見的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)可以得知金屬材料的韌性、塑性、強(qiáng)度、彈性力學(xué)性能。金屬材料在高溫環(huán)境中的力學(xué)性能主要通過拉伸蠕變及持久試驗(yàn)來測量，通過在持續(xù)高溫環(huán)境下保持固定應(yīng)力或應(yīng)變對金屬拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力松弛試驗(yàn)用于測量試驗(yàn)件在高溫環(huán)境下長時間受力時應(yīng)力降低情況，通常包括拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)和彎曲松弛試驗(yàn)。金屬材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下會因?yàn)閮?nèi)部組織不均勻而產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)循環(huán)次數(shù)不斷增加時會產(chǎn)生裂紋直至發(fā)生疲勞斷裂，疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為高溫疲勞試驗(yàn)、室溫疲勞試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、沖擊疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)等。

3 金屬材料壽命預(yù)測

設(shè)備運(yùn)動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件損壞往往會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果，因此預(yù)測金屬材料的持久壽命和蠕變斷裂壽命具有重要的實(shí)際意義。由于在工程應(yīng)用中金屬材料的持久蠕變壽命很長，有的甚至長達(dá)10萬至20萬小時，直接通過長時間的持久蠕變試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測有很大難度，為了縮短試驗(yàn)時間，通常采用增加試驗(yàn)載荷或提升溫度的方式，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算出蠕變持久壽命。

3.1 等溫線法

為了減少試驗(yàn)時間，維持試驗(yàn)溫度等條件不變，通過增加載荷的方式加速材料的蠕變斷裂過程，可以在相對較短的時間內(nèi)獲得所需的數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)即可計算出金屬材料蠕變斷裂性能。

3.2 時間溫度法

由于金屬材料的蠕變與溫度相關(guān)，提高試驗(yàn)溫度時金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會相應(yīng)發(fā)生變化，時間溫度法可以縮短試驗(yàn)時間，通過較高溫度下獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步推斷出金屬材料蠕變斷裂性能。

4 金屬材料試驗(yàn)引入計算機(jī)技術(shù)相關(guān)瓶頸問題

由于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展速度較快，而金屬材料試驗(yàn)設(shè)備則相對較為落后，大部分實(shí)驗(yàn)室在引入計算機(jī)技術(shù)時，都面臨著試驗(yàn)設(shè)備硬件和軟件方面均存在整合困難的問題。

4.1 系統(tǒng)軟件兼容性問題

對于較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室，往往會有幾十臺甚至上百臺設(shè)備，不同廠家或者不同時期生產(chǎn)的設(shè)備配備的操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)也不盡相同，操作人員需要學(xué)習(xí)每套軟件的操作方法，大大增加了試驗(yàn)員的學(xué)習(xí)成本。

4.2 軟件數(shù)據(jù)采集實(shí)時性問題

數(shù)據(jù)的實(shí)時性對金屬材料的試驗(yàn)具有極其重要的意義，通過實(shí)時數(shù)據(jù)才能及時觀察到金屬材料變形等值的變化，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的異常現(xiàn)象，并采取必要的處理措施，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具可靠性。部分實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件采用的是輪詢式的數(shù)據(jù)采集方式，按設(shè)定順序逐臺設(shè)備進(jìn)行采集，這種輪詢式的方式實(shí)時性較差，無法做到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步采集。對于需要長時間運(yùn)行的試驗(yàn)設(shè)備，保持軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要，必須克服系統(tǒng)因運(yùn)行時間長可能出現(xiàn)的卡頓現(xiàn)象，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲和異常情況的快速處理。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲問題

不同試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)無法共享會導(dǎo)致整個實(shí)驗(yàn)室管控困難，在實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲是最重要的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)存儲質(zhì)量會對后續(xù)的數(shù)據(jù)管理帶來很大影響。如何將孤立的各試驗(yàn)設(shè)備有效整合，如何避免文件系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)冗余問題，如何避免數(shù)據(jù)文件訪問時的寫入操作互相影響，都需要在軟件設(shè)計中予以充分考慮。數(shù)據(jù)的高效性也會對軟件系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，在金屬材料試驗(yàn)中，金屬的高溫蠕變試驗(yàn)通常會進(jìn)行幾個月甚至更長，當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大時，數(shù)據(jù)存儲和訪問所耗費(fèi)的資源會相應(yīng)增加。

5 金屬材料試驗(yàn)軟件優(yōu)化設(shè)計方法

5.1 不同設(shè)備軟件兼容性問題對策

針對不同試驗(yàn)設(shè)備軟件接口問題，必須逐臺設(shè)備進(jìn)行改造，在原試驗(yàn)設(shè)備通訊協(xié)議和接口的基礎(chǔ)上，按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)增加通訊接口，同時對試驗(yàn)設(shè)備的程序做相應(yīng)修改。由于采取相同的通訊協(xié)議和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，各試驗(yàn)設(shè)備相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)的子模塊，實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)的主程序可以控制、訪問各子模塊，從而實(shí)現(xiàn)對全部試驗(yàn)設(shè)備的統(tǒng)一管理。實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)還需要預(yù)留一部分?jǐn)U展功能，當(dāng)后續(xù)再追加試驗(yàn)設(shè)備時，無需修改軟件的源程序，只設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可。

5.2 軟件數(shù)據(jù)采集實(shí)時性問題對策

對于試驗(yàn)設(shè)備較多的實(shí)驗(yàn)室，軟件規(guī)劃時需要采用多個子線程分別控制的方式。多個子線程控制方式將數(shù)據(jù)的采集、存儲等功能劃分給獨(dú)立的線程，與單線程方式比采集數(shù)據(jù)速度最高，可避免對數(shù)據(jù)存儲造成影響。由于每臺設(shè)備均由獨(dú)立的線程進(jìn)行處理，為了避免同時開啟的線程數(shù)過多，在軟件設(shè)計時可以采取設(shè)立線程池的方式，避免浪費(fèi)系統(tǒng)資源，大幅度提高程序的響應(yīng)速度，在對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時主程序可正常運(yùn)行，從而使用戶層界面始終處于可響應(yīng)狀態(tài)。線程池可以自動設(shè)定試驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時線程池自動釋放CPU資源。

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲問題對策

單機(jī)試驗(yàn)設(shè)備通常采用文件系統(tǒng)存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的方式存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用戶無需關(guān)注數(shù)據(jù)文件存儲的路徑，直接通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)即可訪問所需數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量越大時，數(shù)據(jù)庫比文件系統(tǒng)訪問速度低延時的優(yōu)點(diǎn)會越明顯。數(shù)據(jù)庫具有應(yīng)對并發(fā)訪問的能力，具有以數(shù)據(jù)為單元的共享性，在并發(fā)訪問時數(shù)據(jù)可保持一致性。數(shù)據(jù)庫支持用戶高頻次的修改等操作，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，對硬件資源的消耗明顯少于文件系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件解決了實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備軟件存在的問題和缺陷，實(shí)現(xiàn)了對各試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的整合，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接打通了各設(shè)備數(shù)據(jù)信息的孤島。對系統(tǒng)軟件的優(yōu)化設(shè)計確保了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可擴(kuò)展性，從而減少試驗(yàn)員工作量，并使試驗(yàn)效率明顯提升，應(yīng)用系統(tǒng)軟件后實(shí)驗(yàn)室智能化水平得以大幅度提升。

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