CN102759505B - 中厚板材料压缩试验辅助装置及流动应力曲线测定方法 - Google Patents

Abstract

一种中厚板材料压缩试验辅助装置，其包括下模板、上模板、四个导柱和四个导套，四个导套位置均匀地安装在上模板上，四个导柱固定安装于下模板上且分别滑动地插入四个导套中；本发明还提供了中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其采用所述辅助装置在材料性能试验机上对中厚板的试样进行压缩试验，在计算机中通过试样压缩有限元模型模拟材料压缩试验过程，将模拟得到的载荷-位移曲线与使用辅助装置进行压缩试验测量得到的载荷-位移曲线作对比，通过反复迭代修正有限元模型中的流动应力曲线，使得模拟和试验结果的误差达到设定的阈值，从而得到中厚板材料的真实流动应力曲线。本发明将实际压缩试验和计算机有限元模拟进行结合，提高了中厚板材料流动应力曲线的测定精度。

Description

中厚板材料压缩试验辅助装置及流动应力曲线测定方法

技术领域

本发明涉及一种材料性能试验装置及方法，具体涉及一种用于金属中厚板材料压缩试验的辅助装置以及中厚板材料流动应力曲线的测定方法，属于材料技术领域。

背景技术

在当前对产品结构轻量化以及节能降耗日益迫切的需求下，金属板料体积成形技术因其可用于成形具有一定立体形状、非等厚度的复杂零件，而成为中厚板成形领域的重要发展趋势，此处所述的中厚板是指板厚>3mm的金属板料。作为一种典型的局部大变形过程，采用耗时费力的传统试错法进行板料体积成形工艺和模具设计显然无法满足要求，因此必须依赖数值模拟技术从根本上解决上述困难。数值模拟的可靠性与材料流动应力曲线的准确性密切相关，而中厚板材料的流动应力曲线可以通过与材料轧制方向成一定角度的单轴拉伸试验获得。但是，传统的拉伸试验过程会较早地出现局部颈缩现象，导致由此获得的流动应力曲线范围偏小，一般应变小于0.2，因而无法满足板料体积成形大应变（应变>1.0）的要求。

除拉伸试验之外，材料流动应力曲线也可通过圆柱体试样的压缩试验得到。由于压缩试验不会产生拉伸试验中的颈缩现象，因此能够测得较大应变范围的流动应力曲线。但是，试样在压缩过程中，由于试样和工具接触面上存在摩擦而导致鼓形的存在，试样内部的应力和应变并非是均匀分布，因此采用传统均匀变形方式计算得到的流动应力曲线精度有限。

同时圆柱体压缩实验常用于棒料，对于中厚板材料来说，由于相同高径比条件下的压缩试样尺寸比棒料小的多，如果采用标准材料性能试验机的上下压头直接进行压缩试验，则很容易产生非轴向力而引起失稳，从而严重影响试验结果，无法稳定、准确地得到中厚板材料的流动应力曲线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种中厚板材料压缩试验的辅助装置，其能够使压缩试验得到可靠的试验数据，提高小压缩试样的测量精度，本发明同时提供一种应用该辅助装置通过压缩试验获取中厚板材料流动应力曲线的测定方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中厚板材料压缩试验的辅助装置，其包括下模板、上模板、四个导柱和四个导套，所述四个导套位置均匀地安装在所述上模板上，所述四个导柱固定安装于下模板上且分别滑动地插入四个导套中。

所述上模板和下模板所采用材料为硬质合金，硬度为HRC60以上。

所述导柱之间的最大间距小于导柱直径的3倍。

所述下模板上设有用以试样定位的标尺。

本发明另一技术方案为：

一种中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其采用所述辅助装置在材料性能试验机上对中厚板的试样进行压缩试验，在计算机中通过试样压缩有限元模型模拟材料压缩试验过程，将模拟得到的载荷-位移曲线与使用辅助装置进行压缩试验测量得到的载荷-位移曲线作对比，通过反复迭代修正有限元模型中的流动应力曲线，使得模拟和试验结果的误差达到设定的阈值，从而得到中厚板材料的真实流动应力曲线。

所述测定方法的具体步骤如下：

步骤一，将所述辅助装置安放在材料性能试验机上，保证该辅助装置的上模板与材料性能试验机的压板对中，启动材料性能试验机作未放置试样的空压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到空压试验的载荷-位移曲线；

步骤二，将所述试样置放在辅助装置的下模板上，通过下模板上的标尺保证试样与下模板对中，启动材料性能试验机进行已放置试样的实压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到实压试验的载荷-位移曲线；

步骤三，将实压试验的载荷-位移曲线与空压试验的载荷-位移曲线相减，得到消除材料性能试验机影响后的真实载荷-位移曲线，再将该真实载荷-位移曲线按n个均匀的增量步进行插值，得到增量步i的真实位移s_i和真实载荷

步骤四，假设试样均匀压缩变形，由下式（1）得到增量步i的初始应力

由下式（2）得到增量步i的初始应变

在此基础上形成初始流动应力曲线，

${\mathrm{\σ}}_0^i=\frac{4F_i^{\mathrm{EXP}}(h_0-s_i)}{\mathrm{\π}{d}_0^2{h}_0}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_0^i=\ln \left(\frac{h_0}{h_0-s_i}\right)---\left(2\right)$

式中，h₀-试样的初始高度，d₀-试样的初始直径；

步骤五，将步骤四得到的初始流动应力曲线作为初始值代入计算机中，通过有限元软件建立的试样压缩有限元模型模拟步骤二所述的实压过程，得到每一增量步i的轴向平均主应变

和载荷

步骤六，将步骤三得到的载荷

与步骤五得到的载荷

通过下式（3）比较，得到平均相对偏差E；若E小于等于设定的阈值，则步骤四得到的流动应力曲线即为最终解；若E大于所设定的阈值，则将步骤五得到的

作为修正后的应变再通过下式（4）得到修正后的应力

由此得到修正后的流动应力曲线；

$E=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{F_i^{\mathrm{EXP}}-F_i^{\mathrm{FEM}}}{F_i^{\mathrm{EXP}}}\right|---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_i^M=\frac{\mathrm{\σ}}{1+\frac{F_i^{\mathrm{EXP}}-F_i^{\mathrm{FEM}}}{F_i^{\mathrm{EXP}}}}---\left(4\right)$

式中，σ_i-修正前的应力，第一次运行时为步骤四所得到的初始应力

步骤七，将步骤六得到的结果代入有限元计算模型并模拟步骤二所述的实压过程，重复步骤五到步骤七的过程，直至E小于等于设定的阈值，此时有限元计算模型中的流动应力曲线为最终得到的中厚板材料的真实流动应力曲线。

与现有技术相比，本发明改变了现有中厚板圆柱体试样压缩试验直接将试样置放在上、下压板之间进行试验的传统方式，采取了所述中厚板材料压缩试验的辅助装置来置放试样的方式，该辅助装置采用导柱导套结构，并且通过上下模板采用硬度为HRC60以上的硬质合金材料、两导柱之间的最大间距为导柱直径的3倍以内等措施，极大地提高了辅助装置的刚度，使之刚度为所测材料刚度的3倍以上，从而使试验过程中变形能最大限度地只发生在所测材料上，并避免了试样在压缩时产生失稳，保证了应变测量的准确性。

本发明所述的测定方法将实际压缩试验和计算机有限元模拟结合在一起，充分考虑了由于试样和工具接触面上的摩擦导致的试样不均匀变形，克服了基于均匀变形方式的传统处理方法所造成的误差，能够完成大变形下流动应力曲线的测定。

通过实际检测证明，本发明可方便快捷地得到真实应变范围大于等于1.0的中厚板材料流动应力曲线，满足了中厚板板料体积成形过程数值模拟的需要。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明下模板的俯视图。

图4为中厚板材料在压缩变形条件下流动应力曲线的测定方法流程图。

图5为得到消除掉材料性能试验机影响的真实载荷-位移曲线的过程。

图6为初始模拟值、迭代一次和真实载荷-位移曲线的比较图。

图7为均匀压缩变形条件下得到的流动应力曲线与本发明测定方法所得流动应力曲线的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图1和图2所示，所述中厚板材料压缩试验的辅助装置包括下模板1、上模板2、四个导套3和四个导柱4。材料试验时，所述辅助装置安放于材料性能试验机的上、下压板之间，材料性能试验机的力通过压缩试验辅助装置传递给试样5，采集材料性能试验机的载荷和横梁位移来得到载荷-位移曲线。

所述下模板1和上模板2所采用材料为硬质合金，硬度为HRC60以上，远大于所测材料。请参阅图3，所述下模板1上设有标尺，试验时试样5置于下模板1之上，通过该标尺来保证定位，使试样5与下模板1对中。该试样5为柱状。

所述四个导套3位置均匀地安装在所述上模板2上，所述四个导柱4固定安装于下模板1上且位置与上模板2的四个导套3对应，该导柱4固定在下模板1内的深度至少为导柱4长度的一半，所述导柱4之间的最大间距小于导柱4本身直径的3倍。

所述四个导柱4分别插入四个导套3中，它们之间为滑动配合，两者相接触的部分始终超过导柱4直径的三分之一，从而有效保证压缩试验的结构刚度需求。本发明采用了自润滑式导套，可有效地减小摩擦，提高装置的使用寿命。所述上模板2能沿导柱4上、下平稳移动而无阻滞；上、下模板表面之间的平行度能够充分保证试样5在压缩时不产生失稳。

本发明所述的中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其过程如下：采用所述辅助装置在材料性能试验机上对中厚板的试样进行压缩试验，在计算机中通过试样压缩有限元模型模拟材料压缩试验过程，将模拟得到的载荷-位移曲线与使用辅助装置进行压缩试验测量得到的载荷-位移曲线作对比，通过反复迭代修正有限元模型中的流动应力曲线，使得模拟和试验结果的误差达到设定的阈值，从而得到中厚板材料的真实流动应力曲线。

所述测定方法流程图如图4所示，其具体步骤如下：

步骤一，将所述中厚板材料压缩试验的辅助装置安放在材料性能试验机的上下压板之间，保证该辅助装置的上模板2与材料性能试验机的压板对中；启动材料性能试验机作未放置试样的空压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到如图5所示的空压试验的载荷-位移曲线。

步骤二，取圆柱体中厚板材料的试样5，测量得到试样5的初始高度h₀和初始直径d₀；将所述试样5置放在辅助装置的下模板1上，通过下模板1上的标尺保证试样5与下模板1对中；启动材料性能试验机进行已放置试样5的实压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到如图5所示的实压试验的载荷-位移曲线。

步骤三，将步骤二得到的实压试验的载荷-位移曲线与步骤一得到的空压试验的载荷-位移曲线相减，得到如图5所示的消除材料性能试验机影响后的真实载荷-位移曲线，再将该真实载荷-位移曲线按n个均匀的增量步进行插值，得到增量步i的真实位移s_i和真实载荷

得到真实载荷-位移曲线的过程如图5所示，最终的真实载荷-位移曲线如图6所示。

步骤四，假设试样均匀压缩变形，将步骤二得到的试样5的初始高度h₀和初始直径d₀以及步骤三得到的真实位移s_i和真实载荷

通过下式（1）得到增量步i的初始应力

将步骤二得到的初始高度h₀和步骤三得到的真实位移s_i通过下式（2）得到增量步i的初始应变

${\mathrm{\σ}}_0^i=\frac{4F_i^{\mathrm{EXP}}(h_0-s_i)}{\mathrm{\π}{d}_0^2{h}_0}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_0^i=\ln \left(\frac{h_0}{h_0-s_i}\right)---\left(2\right)$

式中，h₀-试样5的初始高度，d₀-试样5的初始直径；

在此基础上形成初始流动应力曲线，如图7“最终流动应力曲线”所示。

步骤五，将步骤四得到的初始流动应力曲线作为初始值代入计算机中，通过有限元软件建立的试样压缩有限元模型模拟步骤二所述的实压过程，得到每一增量步i的轴向平均主应变

和载荷

步骤六，将步骤三得到的载荷与步骤五得到的载荷

通过下式（3）比较，得到平均相对偏差E。若E小于等于设定的阈值，则步骤四得到的流动应力曲线即为最终解；若初始模拟值与真实载荷-位移曲线存在较大的偏差，如图6所示，E大于所设定的阈值，则将步骤五得到的轴向平均主应变作为修正后的应变再通过下式（4）得到修正后的应力

由此得到修正后的流动应力曲线，如图7“最终流动应力曲线”所示；

$E=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{F_i^{\mathrm{EXP}}-F_i^{\mathrm{FEM}}}{F_i^{\mathrm{EXP}}}\right|---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_i^M=\frac{\mathrm{\σ}}{1+\frac{F_i^{\mathrm{EXP}}-F_i^{\mathrm{FEM}}}{F_i^{\mathrm{EXP}}}}---\left(4\right)$

式中，σ_i-修正前的应力，第一次运行时为步骤四所得到的初始应力

步骤七，将步骤六得到的修正后的流动应力曲线代入有限元计算模型并模拟步骤二所述的实压过程，重复步骤五到步骤七的过程，直至E小于等于设定的阈值，此时有限元计算模型中的流动应力曲线为最终得到的中厚板材料的真实流动应力曲线。由图6所示，对流动应力曲线进行一次修正后得到迭代一次的载荷-位移曲线与真实载荷-位移曲线已经相当接近。此时E已经小于等于规定的值，输入有限元中的流动应力曲线（如图7所示的“最终流动应力曲线”）即认为是中厚板材料的真实流动应力曲线。

Claims (4)

1.一种中厚板材料流动应力曲线的测定方法，采用中厚板材料压缩试验的辅助装置在材料性能试验机上对从中厚板上加工获得的小圆柱试样进行压缩试验，在计算机中通过试样压缩有限元模型模拟材料压缩试验过程，将模拟得到的载荷-位移曲线与使用辅助装置进行压缩试验测量得到的载荷-位移曲线作对比，通过反复迭代修正有限元模型中的流动应力曲线，使得模拟和试验结果的误差达到设定的阈值，从而得到中厚板材料的真实流动应力曲线；所述辅助装置包括下模板、上模板、四个导柱和四个导套，所述四个导套位置均匀地安装在所述上模板上，所述四个导柱固定安装于下模板上且分别滑动地插入四个导套中；其特征在于：所述测定方法的具体步骤如下： 

步骤一，将所述辅助装置安放在材料性能试验机上，保证该辅助装置的上模板与材料性能试验机的压板对中，启动材料性能试验机作未放置试样的空压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到空压试验的载荷-位移曲线； 

步骤二，将所述试样置放在辅助装置的下模板上，通过下模板上的标尺保证试样与下模板对中，启动材料性能试验机进行已放置试样的实压试验，材料性能试验机的压板下压直至载荷到达预设载荷，得到实压试验的载荷-位移曲线； 

步骤三，将实压试验的载荷-位移曲线与空压试验的载荷-位移曲线相减，得到消除材料性能试验机影响后的真实载荷-位移曲线，再将该真实载荷-位移曲线按n个均匀的增量步进行插值，得到增量步i的真实位移s_i和真实载荷

步骤四，假设试样均匀压缩变形，由下式（1）得到增量步i的初始应力

由下式（2）得到增量步i的初始应变

在此基础上形成初始流动应力曲线， 

式中，h₀-试样的初始高度，d₀-试样的初始直径； 

步骤五，将步骤四得到的初始流动应力曲线作为初始值代入计算机中，通过有限元软件建立的试样压缩有限元模型模拟步骤二所述的实压过程，得到每一增量步i的轴向平均主应变

和载荷

；

步骤六，将步骤三得到的载荷

与步骤五得到的载荷

通过下式（3）比较，得到平均相对偏差E；若E小于等于设定的阈值，则步骤四得到的流动应力曲线即为最终解；若E大于所设定的阈值，则将步骤五得到的

作为修正后的应变

再通过下式（4）得到修正后的应力σ_i ^M，由此得到修正后的流动应力曲线； 

式中，σ_i-修正前的应力，第一次运行时为步骤四所得到的初始应力

步骤七，将步骤六得到的结果代入有限元计算模型并模拟步骤二所述的实压过程，重复步骤五到步骤七的过程，直至E小于等于设定的阈值，此时有限元计算模型中的流动应力曲线为最终得到的中厚板材料的真实流动应力曲线。 

2.如权利要求1所述的中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其特征在于：所述上模板和下模板所采用材料为硬质合金，硬度为HRC60以上。 

3.如权利要求1所述的中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其特征在于：所述导柱之间的最大间距小于导柱直径的3倍。 

4.如权利要求1所述的中厚板材料流动应力曲线的测定方法，其特征在于：所述下模板上设有用以试样定位的标尺。 

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