CN105092377B - 一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，它包含电机，支架，压板，丝杠，挡板，挡块，激光测距传感器，工作台，挡板，激光测距传感器，压力传感器，压力传感器和被测板料；电机安装在支架上并与压板、丝杠连接，压板上装有激光测距传感器和压力传感器，挡板与挡板设置在工作台两侧，并通过螺钉与工作台、挡块连接；挡块中部设有激光测距传感器，挡板中部设有压力传感器；被测板料位于三个挡板合围的工作台上；支架连接在工作台上。一种实现大变形范围的平面应变状态测试装置的数据处理方法，有四大步骤。本发明为工程实际生产中的一些成形工艺、理论计算和有限元模拟提供了实验依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据处理方法，它是一种能够实现比传统的拉伸平面应变试验更大变形范围的平面应变测试装置的设计，并给出如何处理使用该装置获得的试验数据，以进一步建立适应于更大变形范围的平面应变的本构关系的方法，属于材料力学测试技术及设备领域。
背景技术
平面应变问题：材料受力变形过程中，如果某一个方向始终不发生变形，或者说该方向应变始终为0，即为平面应变受力状态。
目前，由于航空、船舶、汽车工业的飞速发展，生产工艺员经常需要面对大量需要进行金属成形的问题，这时候了解成形件各部件的强度要求及材料成形性能能否满足生产要求，具有很重要的作用。因此在加工生产中，对金属成形技术提出了更高的要求，更加精准地测试金属成形时其材料的各性能及参数尤其重要。
金属成形技术是利用金属塑性成形的特点，通过模具及其他辅助手段对板料施加一定的作用力，使其在可控的范围内产生相应的塑性变形，从而获得所需成形形状和性能零件的一种制造工艺。在许多金属成形工艺下都存在着平面应变状态，如金属件的旋压，压印，弯曲，卷边，拉深等。而在这些金属成形中，其工艺参数对成形件具有很大的影响。材料加工界已有研究成果表明，如果仅仅依靠单向拉伸或者其他方法进行实验得到的应力应变数据所建立的本构关系去描述平面应变问题，将会存在很大的误差。如果能够使材料在平面应变状态下均匀变形，并能获取相应的应力应变数据，将会建立能够精确描述包含平面应变状态的成形工艺的本构关系。目前人们已经设计了一些平面应变试验方法，都是通过设计特殊的试件形状，然后再进行拉伸而达到平面应变状态，这些方法中虽然通过设计试件的特殊形状而使得变形过程中材料的受力状态接近平面应变，但是由于受到试件形状和拉伸状态的限制，能够得到的变形范围都很小。而实际成形工艺中材料在平面应变状态下能够达到较大的变形，在对其变形规律进行理论计算和有限元模拟时候需要大变形范围内的数据，而传统的平面应变试验方法得到的变形范围较小，难以适应实际需求。因此本发明设计一种能够实现金属在更大变形范围的平面应变状态的试验装置，并给出如何通过该试验装置获取的应力应变数据来建立本构关系的方法。
本专利申请设计时，考虑到金属在压缩受力状态下能够达到比拉伸状态大的多的变形特性，而且根据塑性加工理论可知，满足一定条件下不同的受力组合可以使得材料达到相同的变形状态。设计本装置使板料处于压应力状态，在板料厚度方向设计挡块并留出一个方向以作为金属变形时的流动方向(如说明书附图中图1箭头方向)。金属材料的平面处于压板下，两侧为固定挡板，使得压缩过程中在两侧方向上始终无变形，以便使其处于平面应变状态。两侧的固定挡板在安装时首先通过挡板的凹槽卡在固定的工作台上(其中凹槽与工作台凸出的部分是紧配合)，然后用螺钉紧固，以便于保持其与工作台良好的固定性。挡块6做成与工作台8相互配合的形状，并且挡块6可以在工作台8上滑动，便于与挡板之间围成封闭的长方体，然后通过螺钉使挡块6与挡板5和挡板9固定(图1中挡块6的开孔位置)，挡板5与工作台8固定(图1中挡块5底部开孔位置)，挡板9与工作台8固定(图1中挡块9底部开孔位置)。这样通过检测一些成形数据可以得到需要的参数。由于金属成形时必然会受到一些误差的影响，如摩擦力、弯曲抗力等，因此为了改善矩形板料与挡板、工作台之间的滑动性，应加一些润滑剂，如垫上聚四氟乙烯薄膜等，尽量减小这些影响因素的影响。
发明内容
(1)见图1，图2，一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，它包含电机1，支架2，压板3，丝杠4，挡板5，挡块6，激光测距传感器7，工作台8，挡板9，激光测距传感器10，压力传感器11，压力传感器12和被测板料13。它们之间的位置连接关系是：电机1安装在支架2上并与压板3、丝杠4连接，压板3上装有激光测距传感器10和压力传感器11，挡板5与挡板9设置在工作台8两侧，并通过螺钉与工作台8、挡块6连接；挡块6中部设有激光测距传感器7，挡板5中部设有压力传感器12；被测板料13位于挡板5、挡块6、挡板9三者合围的工作台8上；支架2连接在工作台8上。
所述电机1是西门子的交流伺服电机，型号为1FK7080-5AF71-1UA0。
所述支架2是设有通孔的L状结构件；
所述压板3是其上装有激光测距传感器10、压力传感器11的条状件；
所述丝杠4是选用的是南京工艺装备制造公司生产的CMFZD10020-7.5的滚珠丝杠副。
所述挡板5、挡板9是其上设有连接螺孔的矩形板料；
所述挡块6是其上设有连接螺孔，其下设有凹槽的的矩形板料；
所述激光测距传感器7、10、压力传感器11，12是按需选购的市购件；
所述工作台8是其上设有连接螺孔的“工”字状件；
所述被测板料13是矩形板料。
本发明一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置的工况简介如下：1所有的安装必须在紧固的条件下，如挡板、挡块与工作台之间的连接处，要保证连接良好，运行正常。2测距传感器须距离矩形板料有一定的空间，保证挤压后的矩形板料挤压出来的长度小于该空间距离，并且在挤压前预算板料的伸长的长度，设定好测距传感器与矩形板料之间的距离。3电动机为西门子伺服交流电机，可以其自身的正转与反转，便于下压与抬起。4压板与丝杠相联结，在开机前需要保证压板处于水平位置，这样可以保证板料在受力时的均匀性。
(2)一种实现大变形范围的平面应变状态测试装置的数据处理方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：板料的放置装夹
板料放置时需要紧贴工作台，且与两个挡板处于紧配合，因此在实验前需要先安装某一侧的挡板，螺钉紧固后，放入矩形板料，然后再放置另一侧的挡板，这样可以保证矩形板料完全卡在工作台与挡板所围成的槽中，更保证了实验的精确性。
步骤二：试验装置及其参数的设定
通过计算机控制调整其各传感器的初始读数，方便计算等。
步骤三：试验数据的采集
试验过程中，通过试验装置上的传感器对平面应变过程中的各向参数进行统计整理，激光测距传感器进行板料厚度方向与长度方向上的实时测量，压力传感器对板料施加的压力进行实时测量。
步骤四：试验后处理及其分析
运用步骤三中得到的数据进行板料的平面应变数据分析，可以得到该板料的平面应变应力等相关的数据。
具体的操作流程图如图3。
本发明方法中，采用直接压缩板料的方式，可以快速准确得到板料的平面应变数据。
(3)优点及功效：本发明一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据处理方法，
其优点是：
1、本发明结构简单，性能可靠，很方便得到板料的平面应变数据。
2、本发明提出的激光测距传感器与压力传感器，突破原有的凸模拉伸测量和宽板拉伸实验的方法以直接压缩板料得到其相关的数据，使得到的数据更加准确可靠。
附图说明
图1，图2是该平面应变测试的总装模型结构示意图。
图2是对图1的补充，图2更加清晰表示出板料的放置状态。
图3是本发明的流程图。
图中所示标号说明：
1电机，2支架，3压板，4丝杠，5挡板，6挡块，7激光测距传感器，8工作台，9挡板，10激光测距传感器，11压力传感器，12压力传感器，13板料。
具体实施方式
(1)见图1，图2，一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，它包含电机1，支架2，压板3，丝杠4，挡板5，挡块6，激光测距传感器7，工作台8，挡板9，激光测距传感器10，压力传感器11，压力传感器12和被测板料13。它们之间的位置连接关系是：电机1安装在支架2上并与压板3、丝杠4连接，压板3上装有激光测距传感器10和压力传感器11，挡板5与挡板9设置在工作台8两侧，并通过螺钉与工作台8、挡块6连接；挡块6中部设有激光测距传感器7，挡板5中部设有压力传感器12；被测板料13位于挡板5、挡块6、挡板9三者合围的工作台8上，支架2连接在工作台8上。
所述电机1是西门子的交流伺服电机，型号为1FK7080-5AF71-1UA0。
所述支架2是设有通孔的L状结构件；
所述压板3是其上装有激光测距传感器10、压力传感器11的条状件；
所述丝杠4是选用的是南京工艺装备制造公司生产的CMFZD10020-7.5的滚珠丝杠副。
所述挡板5、挡板9是其上设有连接螺孔的矩形板料；
所述挡块6是其上设有连接螺孔，其下设有凹槽的的矩形板料；
所述激光测距传感器7、10、压力传感器11，12是按需选购的市购件；
所述工作台8是其上设有连接螺孔的“工”字状件；
所述被测板料13是矩形板料。
本发明一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置的工况简介如下：1所有的安装必须在紧固的条件下，如挡板、挡块与工作台之间的连接处，要保证连接良好，运行正常。2测距传感器须距离矩形板料有一定的空间，保证挤压后的矩形板料挤压出来的长度小于该空间距离，并且在挤压前预算板料的伸长的长度，设定好测距传感器与矩形板料之间的距离。3电动机为西门子伺服交流电机，可以其自身的正转与反转，偏于下压与抬起。4压板与丝杠相联结，在开机前需要保证压板处于水平位置，这样可以保证板料在受力时的均匀性。
(2)见图3，一种实现大变形范围的平面应变状态测试装置的数据处理方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：板料的放置装夹
板料放置时需要紧贴工作台，且与两个挡板处于紧配合，因此在实验前需要先安装某一侧的挡板，螺钉紧固后，放入矩形板料，然后再放置另一侧的挡板，这样可以保证矩形板料完全卡在工作台与挡板所围成的槽中，更保证了实验的精确性。
步骤二：试验装置及其参数的设定
通过计算机控制调整其各传感器的初始读数，方便计算等。
步骤三：试验数据的采集
试验过程中，通过试验装置上的传感器对平面应变过程中的各向参数进行统计整理，激光测距传感器进行板料厚度方向与长度方向上的实时测量，压力传感器对板料施加的压力进行实时测量。
步骤四：试验后处理及其分析
运用步骤三中得到的数据进行板料的平面应变数据分析，可以得到该板料的平面应变应力等相关的数据。
详细的操作方式及介绍如下：
电机1带动丝杠4正转与反转，可以使压板3上下移动，下压或者上抬。挡板5和挡板9与挡块6及工作台组成上端开口的长方体形状，其长方体内部用于放置金属材料即被测板料13，工作台8可以固定支架2、挡块6与挡板5、9。压力传感器11、12，用于检测各个方向的力。激光测距传感器7、10用于测量实时的距离。本发明中材料采用矩形材料。其中被测板料13全部放置于压板3下面，并且被测板料13初始长度L0小于压板长度Ly,并且在挤压过程中始终保持L0≤Ly，即被测板料13时刻处于压板3之下，其变形始终处于压板3之下。
在本设计中，被测板料13宽度方向由于受到两块固定挡板(图中的挡板5与挡板9)的限制，始终不发生任何变形，即该方向应变为0，即保证被测板料13处于平面应变状态。并且被测板料13的宽度正好等于两个挡板内侧面之间的距离，即在最开始压缩时，被测板料13贴紧两侧挡板5、9，强制使金属的流动方向朝一个方向，即图1中开口方向，如箭头所示。在进行实验时，先安装其中一块挡板5，然后放置被测板料13，并且使被测板料13紧密贴合挡板5，然后安装挡板9，使其刚好卡紧被测板料13。并且在实验前，需要根据被测板料13需要达到的应变状态提前预算板料的长度，要保证材料在下压过程中板料长度方向的变化始终处于压板3之下。其中预估公式可以根据体积不变的原则进行预算，假设板料初长L0，板料宽D0，板料厚度h0，假设实验中变形量为Δh，则由体积不变的原则，得到下压之后板料的长度Lt:
即要保证Lt≤Ly。
材料受到下压的力，金属的流动必然使材料与工作台受到摩擦力，为了尽可能减小有摩擦等因素造成的影响，故在此添加聚四氟乙烯作为本设计的润滑剂。另外在材料13与挡板5和挡板9之间分别添加此润滑剂。。
实验中，压力传感器11和12分别测得的实时压板下压的力FA和侧边的挤压力FB。激光测距传感器7和10分别测量板料实时长度与厚度的变化。激光测距传感器7具体工作方式，首先在安装好板料、挡板装置后，测得被测板料13端面与传感器7之间的距离d，随着挤压的进行，被测板料13在长度方向会发生变化，测得实时的被测板料13与传感器7之间的距离dt,这样就可以得到板料的实时长度:L＝L0+d-dt；激光测距传感器10直接测得压板3底面到工作台8上端面的距离h，这样可以实时得到被测板料13实时的厚度h，且实时的厚度h≤h0。通过这种方式，间接得到被测板料13各方向的面积的变化，有应力公式，
σ＝F/A
利用公式，可以得到材料实时的应力。
由测得的被测板料13原长L0和厚度h0,根据实时测得到实时长度L和实时的厚度h，可以根据弹塑性力学知识得到在该方向的实时应变。这样，根据实验材料原始的性能数据，对比所测量的不同方向的应力和应变，并结合相应的屈服准则，可以计算得到其等效应力与等效应变的关系。屈服准则根据所研究的材料进行选择，各向同性材料选择Mises屈服准则，而各向异性材料选择Hill48屈服准则，每一种屈服准则都有对应的等效应力和等效应变的力学计算方法，基于该方法并采用试验中采集的数据即可以得到等效应力和等效应变数据，然后采用这些数据通过拟合或者优化的方法建立所需要的本构关系。由于采用本发明中的装置可以实现大变形范围的平面应变，因此可以得到大变形范围内，适用于以平面应变受力状态为主的大量的实际成形工艺中所需要的等效应力和等效塑性应变数据，并进一步通过拟合或者优化的方法建立相应的本构关系。
另外考虑到一些金属成形时原材料为厚度很小的板料，直接进行单块板的压缩会存在较大误差，此时需要板料的叠加成形，对于一些薄形件，可以多块完全相同板料进行叠加，然后在其结合面处用强力粘合剂紧密结合(其贴合面之间的摩擦力很小，可以忽略不计)，得到的叠加件再放入该实验台，以得到期望的适用于板金属的大变形范围的平面应变状态下等效应力和等效应变数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，其特征在于：它包含电机(1)，支架(2)，压板(3)，丝杠(4)，第一挡板(5)，挡块(6)，激光测距传感器(7)，工作台(8)，第二挡板(9)，激光测距传感器(10)，第一压力传感器(11)，第二压力传感器(12)和被测板料(13)；电机(1)安装在支架(2)上并与压板(3)、丝杠(4)连接，压板(3)上装有激光测距传感器(10)和第一压力传感器(11)，第一挡板(5)与第二挡板(9)设置在工作台(8)两侧，并通过螺钉与工作台(8)、挡块(6)连接；挡块(6)中部设有激光测距传感器(7)，第一挡板(5)中部设有第二压力传感器(12)；被测板料(13)位于第一挡板(5)、挡块(6)、第二挡板(9)三者合围的工作台(8)上；支架(2)连接在工作台(8)上；
所述电机(1)是交流伺服电机；
所述支架(2)是设有通孔的L状结构件；
所述压板(3)是其上装有激光测距传感器(10)、第一压力传感器(11)的条状件；
所述丝杠(4)是滚珠丝杠副；
所述第一挡板(5)、第二挡板(9)是其上设有连接螺孔的矩形板料；
所述挡块(6)是其上设有连接螺孔，其下设有凹槽的的矩形板料；
所述工作台(8)是其上设有连接螺孔的“工”字状件；
所述被测板料(13)是矩形板料。
2.一种如权利要求1所述的实现大变形范围的平面应变状态测试装置的数据处理方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：板料的放置装夹
板料放置时需要紧贴工作台，且与两个挡板处于紧配合，因此在实验前需要先安装某一侧的挡板，螺钉紧固后，放入矩形板料，然后再放置另一侧的挡板，这样保证矩形板料完全卡在工作台与挡板所围成的槽中，更保证了实验的精确性；
步骤二：测试装置及其参数的设定
通过计算机控制调整其各传感器的初始读数，方便计算；
步骤三：试验数据的采集
试验过程中，通过测试装置上的传感器对平面应变过程中的各向参数进行统计整理，激光测距传感器进行板料厚度方向与长度方向上的实时测量，压力传感器实时测量压板下压的力和侧边的挤压力；
步骤四：试验后处理及其分析
运用步骤三中得到的数据进行板料的平面应变数据分析，得到该板料的平面应变应力相关的数据。
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