CN105300796B - 一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置 - Google Patents

Abstract

一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，包括：基准板、固定板、前、后间隙板、薄板试样压辊、导向定位套、夹紧支架、接板、夹紧杆、导向杆、手动顶紧螺栓、手动拉紧螺栓、测量块。基准板与固定板通过夹紧杆连接固定整个装置；前、后间隙板通过导向杆与基准板和固定板连接；试样位于前、后间隙板之间，夹紧支架、薄板试样压辊与导向定位套相互配合固定试样的夹持端；接板用于固定夹紧支架；手动顶紧螺栓与手动拉紧螺栓安装在基准板与固定板上；测量块固定在基准板与前间隙板上，用于安装数显百分表。本发明实现了试件在可调法向约束下起皱的预测，为研究轻量化薄壁件在复杂边界条件下的失稳起皱机制及规律提供试验基础。

Description

一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置

技术领域

本发明涉及薄板塑性加工技术领域，具体是一种用于测试复杂边界条件下金属薄板失稳起皱的测试与评估装置。

背景技术

目前，在航空、航天、航海和汽车等制造领域，薄壁轻量化零件的应用越来越广泛。而结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、边界条件和加载形式等因素有关，这类薄壁结构的零件由于其非常小的径厚比(薄壁管D/t＞20)、宽厚比(薄板L/t＞50)，因此其抗弯刚度非常小。而且，薄壁轻量化零件在加工成形过程中一般都需要经历复杂的多模具约束(复杂边界条件)，易产生不规则且大小实时变化的面内压应力。这些局部分布的压应力和较小的抗弯刚度极易导致薄壁类零件在成形过程中发生失稳起皱。这一失稳现象是影响薄壁件成形的主要缺陷和障碍，决定着此类产品成形潜力大小，并严重影响着零件的成形质量、精度、模具的寿命及后续工序的完成。特别是一些需要严格限制变形的薄壁件，如用于飞机生产的液压、燃油、环控等系统的高装配精度的轻量化弯管件，经锥辊碾轧成形的螺旋叶片和高精度控制的薄壁旋压件等。因此，设计一种复杂多边界条件下薄壁件失稳起皱测试与评估装置，研究失稳起皱的规律和机理，对于薄壁轻量化零件的精确塑性加工显得极为突出和迫切。

试验研究在探索起皱的起因、形成及消除时起着至关重要的作用。通过优化设计先进的分析测试装备，可以直接获得实际结构在真实载荷作用下屈曲过程中的数据，从而有效准确地研究失稳起皱发生和发展过程，获得关键参数对失稳起皱的影响规律，了解薄板零件的成形性能并指导实际生产过程。上世纪八十年代日本学者吉田青太(Yoshida)提出方板对角拉伸试验YBT(Yoshida buckling test)用于研究板材的抗皱问题。在该起皱试验中，金属薄板沿一个对角线方向拉伸，在拉伸过程中，由于外部刚性区域的几何约束，沿纵向的拉伸变形导致薄板中部区域将会出现一个沿横向分布的压应力区域。这样一来，诱发的压应力就可以让金属薄板极易产生失稳起皱现象。这一YBT试验技术也因此成为应用最为广泛的起皱模拟试验技术，并已成为研究板料抗皱性能的标准试验。

但是YBT试验法只能获得板材在简单边界条件下的抗皱性能，不能考虑工件与模具的接触情况。而近年来大量薄壁轻量化零件的成形过程往往是在复杂边界条件下进行的，即涉及工件与多种模具之间的接触与约束，如数控绕弯成形中薄壁管外侧受到弯曲模、防皱模、夹块和压块的接触与约束，而内侧又受到芯棒和多芯球的接触与约束。复杂边界条件下的失稳规律和机制也不同于简单边界条件下的情况。

因此，在吉田起皱试验YBT基础上，国内外很多学者基于不同研究目的开发设计了几种改进的吉田起皱试验。例如，J.W.Yoon等人在International Journal of MechanicalSciences第528卷，1683-1714页上发表的Wrinkling initiation and growth inmodified Yoshida buckling test：Finite element analysis and experimentalcomparison论文中通过改变试样几何参数考察了它们对失稳起皱的影响规律。R.Bouzidi等人在Intemational Journal of Solids and Structures第528卷，2459-2475页上发表的Experimental analysis on membrane wrinkling under biaxial load-Comparisonwith bifurcation analysis论文中采用双向拉应力的吉田试验研究了薄板多种失稳模式的演变历程和临界条件。在公开号为CN 200962083Y的专利中披露了一种金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置，以及在公开号为CN 201047825Y的专利中披露了一种金属薄板剪应力起皱试验用试样。该试验装置及试样主要用于研究金属薄板在剪应力状态下的失稳起皱行为，因此不适用于压应力作用下的失稳起皱规律研究，并没有考虑复杂的边界条件。Cao，J等人在CIRP Annals-Manufacturing Technology第56卷，253-256页上发表的Buckling of Sheet Metals in Contact with Tool Surfaces论文中研究了吉田起皱试验在简支、固支等不同约束边界条件下的失稳起皱行为，但是仅限于夹持端的约束，而未考察金属薄板起皱面法向约束对失稳起皱的影响。众所周知，在多模具约束情况下，例如薄板两侧存在法向约束(固定间隙)，薄板在发生失稳后将很难继续沿着第二条分叉路径进一步发展。这是由于侧面的约束抑制了失稳起皱，如果压应力继续增大，薄板将产生第二次失稳，并沿着第三条分叉路径发展。这是一种更高阶的屈曲模态，因此需要的能量也较大。随着这种法向约束间隙的进一步减小，薄板失稳时将沿着次阶或更高阶的分叉路径发展。这时所消耗的变形能量将比低阶特征值模态消耗的变形能大，因此减小间隙，可以一定程度的抑制失稳起皱。但是该方法对失稳起皱的抑制效应有多大，怎么量化，以及间隙过小是否会抑制材料的塑性流动而发生断裂等问题还缺乏一致结论，因此迫切需要建立一种符合实际边界条件的物理模拟试验方法，实现薄壁零件在多模具约束下的失稳起皱物理模拟。

发明内容

为了克服目前多模具复杂约束下金属薄壁零件失稳现象难于控制的问题，建立更符合实际复杂边界约束条件的测试及分析方法，本发明提出一种可调法向约束的薄板抗起皱测试与评估装置。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基准板、固定板、前间隙板、后间隙板、薄板试样压辊、导向定位套、夹紧支架、接板、夹紧杆、导向杆、手动顶紧螺栓、手动拉紧螺栓、测量块。基准板与固定板通过4个夹紧杆连接固定整个装置；前间隙板、后间隙板通过4个导向杆与基准板和固定板连接；试样位于前间隙板与后间隙板之间，夹紧支架、薄板试样压辊与导向定位套相互配合固定试样的夹持端；两个接板用于固定夹紧支架；手动顶紧螺栓与手动拉紧螺栓安装在基准板与固定板上，用于调整前、后间隙板与试样的法向距离；测量块固定在基准板与前间隙板上，用于安装数显百分表。

所述基准板，是带安装孔的平板，用于安装夹紧支架、导向定位套、测量块、手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装夹紧杆、导向杆、数显百分表、手动拉紧螺栓的孔为通孔；

所述固定板，是带安装孔的矩形板，通过与基准板相互配合调整固定整套装置，用于安装手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装夹紧杆、导向杆、手动拉紧螺栓的孔为通孔；

所述前间隙板，是带安装孔的平板，负责对试样施加法向约束，用于安装测量块、手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆、数显百分表的孔为通孔；

所述后间隙板，形状尺寸与前间隙板相同，用于安装手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆的孔为通孔；

所述夹紧支架，是带安装孔的U形框架，利用螺栓固定在基准板上，通过与导向定位套、薄板试样压辊相互配合固定试样的夹持端；

所述导向定位套，是带螺纹孔的矩形块，安装在基准板上；

所述薄板试样压辊，为一细长圆柱棒，安装于夹紧支架的通孔内；

所述接板，呈细长板状，两端带有螺纹孔，负责固定夹紧支架；

所述测量块，是一带安装孔的矩形块，分别安装在基准板与前间隙板上，两端的孔为螺纹孔用于固定测量块，数显百分表安装在测量块中央的通孔上，测量块侧方中央的螺纹孔用于安装内六角螺钉，防止数显百分表因滑动而使测量结果不准确；

所述夹紧杆，两端为带螺纹的细长螺栓，用于连接基准板与固定板；

所述导向杆，中间部分为光滑杆，两端带有螺纹，前间隙板与后间隙板装配在导向杆的中间部位，可进行滑动，两端通过螺母分别固定在基准板与固定板上；

所述手动顶紧螺栓，是带圆柱手柄的螺栓，便于进行手动调节，其中2个分别安装在基准板与固定板中央的螺纹孔内，负责减小前、后间隙板与试样的法向距离；另外2个分别安装在2个夹紧支架中央的螺纹孔内，用于固定试样的夹持端；

所述手动拉紧螺栓，结构尺寸与手动顶紧螺栓完全相同，分别安装在基准板与固定板上与中央螺纹孔同一水平线上的通孔内，用于增大前、后间隙板与试样的法向间距；

所述试样，变形区为一方板，其中一对角线两端有夹持端；试样的拉伸方向为纵向，与拉伸方向垂直的方向为横向，通过改变试样的横向最大尺寸，可以实现薄板面内压应力分布大小与区域的调整；

所述数显百分表，是利用精密齿条齿轮机构制成的通用长度测量工具，可将被测尺寸引起的测杆微小直线移动，经过齿轮传动放大，在电子显示屏上显示出被测尺寸的大小。

本发明在工作时，具体操作步骤如下：

步骤1，装置与试样的装配；首先通过导向杆、夹紧杆来安装固定基准板、前、后间隙板和固定板的相对位置；然后组装接板和夹紧支架，再安装薄板试样压辊和导向定位套，并通过薄板试样压辊和导向定位套的配合来固定试样夹持端；在基准板和前间隙板上安装测量块；最后安装手动拉紧(顶紧)螺栓；

步骤2，固定间隙的调整；装置与试样装配好后，通过调节安装在基准板与固定板上的手动顶紧螺栓与手动拉紧螺栓来调节前、后间隙板与试样的法向距离。在调整过程中可根据安装在基准板与前间隙板上的4个百分表实现间隙的定量化控制。

步骤3，不同固定间隙下失稳起皱的测试；将该装置置于试验机拉伸空间中，用试验机液压夹具与薄板试样的两个夹持端连接，进行拉伸试验；同时在装置侧方对试样进行观测，发现失稳起皱后，立即停止试验；更换试样时，只需调节夹紧支架上的手动顶紧螺栓，取出变形后的试样，将新试样放入，重新调整夹紧支架上的手动顶紧螺栓，固定试样的夹持端；然后重复步骤2、3；

步骤4，起皱波高的测试；沿试样横向来测量变形后的起皱波高。

本发明提出一种可调法向约束的薄板抗起皱测试与评估装置，该装置可准确测试试件在不同法向间隙下的失稳起皱发展全过程，同时该装置可进行不同拉、压载荷下的起皱测试，为研究揭示金属薄壁件在复杂边界条件下的失稳起皱机制及规律提供试验基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的装配示意图；

图3是接板的结构示意图；

图4是夹紧支架的结构示意图；

图5是导向定位套的结构示意图；

图6是试样的结构示意图；

图7是前间隙板的结构示意图；

图8是薄板试样压辊的结构示意图；

图9是固定板的结构示意图；

图10是测量块的结构示意图；

图11是基准板的结构示意图；

图12是后间隙板的结构示意图；

图13是导向杆的结构示意图；

图14是夹紧杆的结构示意图；

图15是手动顶紧螺栓的结构示意图；

图16是试样尺寸示意图；

图17是实施例中所得起皱波高示意图；

其中：

1.接板 2.夹紧支架 3.导向定位套 4.试样 5.前间隙板

6.薄板试样压辊 7.固定板 8.测量块 9.基准板 10.后间隙板

11.导向杆 12.夹紧杆 13.手动拉紧螺栓 14.手动顶紧螺栓 15.夹持端

具体实施方式

本实施例是一种可调法向约束下的薄板抗起皱测试与评估装置，如图1所示。本装置包括：基准板9、固定板7、前间隙板5、后间隙板10、薄板试样压辊6、导向定位套3、夹紧支架2、接板1、夹紧杆12、导向杆11、手动顶紧螺栓14、手动拉紧螺栓13、测量块8。基准板9与固定板7通过4个夹紧杆12连接固定整个装置；前间隙板5、后间隙板10通过4个导向杆11与基准板9和固定板7连接；试样4位于前间隙板5与后间隙板10之间，夹紧支架2、薄板试样压辊6与导向定位套3相互配合固定试样4的夹持端15；两个接板4用于固定夹紧支架2；手动顶紧螺栓14与手动拉紧螺栓13安装在基准板9与固定板7上，用于调整前间隙板5、后间隙板10与试样4的法向距离；测量块8固定在基准板9与前间隙板5上，用于安装数显百分表。

所述基准板9，是带安装孔的平板，用于安装夹紧支架2、导向定位套3、测量块8、手动顶紧螺栓14的孔为螺纹孔，用于安装数显百分表、导向杆11、夹紧杆12、手动拉紧螺栓13的孔为通孔；

所述固定板7，是带安装孔的矩形板，通过与基准板9相互配合调整固定整套装置，用于安装手动顶紧螺栓14的孔为螺纹孔，用于安装导向杆11、夹紧杆12、手动拉紧螺栓13的孔为通孔；

所述前间隙板5，是带安装孔的平板，负责对试样施加法向约束，用于安装测量块8、手动拉紧螺栓13的孔为螺纹孔，用于安装导向杆11、数显百分表的孔为通孔；

所述后间隙板10，形状尺寸与前间隙板相同，用于安装手动拉紧螺栓13的孔为螺纹孔，用于安装导向杆11的孔为通孔；

所述接板1，呈细长板状，两端带有螺纹孔，负责固定夹紧支架2；

所述夹紧支架2，是带安装孔的U形框架，利用接板1固定在基准板9上，通过与导向定位套3、薄板试样压辊6相互配合固定试样4的夹持端；

所述导向定位套3，是带螺纹孔的矩形块，安装在基准板9上；

所述薄板试样压辊6，为一细长圆柱棒，安装于夹紧支架2的通孔内；

所述测量块8，是一带安装孔的矩形块，分别安装在基准板9与前间隙板5上，两端的孔为螺纹孔用于固定测量块，数显百分表安装在测量块8中央的通孔上，测量块侧方中央的螺纹孔用于安装内六角螺钉，防止数显百分表因滑动而使测量结果不准确；

所述夹紧杆12，为两端带螺纹的细长螺栓，用于连接基准板9与固定板7；

所述导向杆11，中间部分为光滑杆，两端带有螺纹，前间隙板5与后间隙板10装配在导向杆11的中间部位，可进行滑动，两端通过螺母分别固定在基准板9与固定板7上；

所述手动顶紧螺栓14，是带圆柱手柄的螺栓，便于进行手动调节，其中2个分别安装在基准板9与固定板7中央的螺纹孔内，负责减小前、后间隙板5、10与试样4的法向距离；另外2个分别安装在2个夹紧支架中央的螺纹孔内，用于固定试样4的夹持端15；

所述手动拉紧螺栓13，结构尺寸与手动顶紧螺栓14完全相同，分别安装在基准板9与固定板7上与中央螺纹孔同一水平线上的通孔内，用于增大前、后间隙板5、10与试样4的法向间距；

所述试样4，以厚度为0.5mm的304不锈钢为母材；变形区为一方板，方板的边长为115mm，其中一对角线两端有夹持端15，夹持端15的长度为75mm，宽度为50mm。试样4夹持端15与变形区的过渡圆角半径为10mm，试样4的拉伸方向为纵向，与拉伸方向垂直的方向为横向，具体尺寸如图16所示；

本实施例在工作时，具体操作步骤如下：

步骤1，装置与试样的装配；

(1)装配导向定位套3；将2个导向定位套3用4个内六角螺栓分别固定在基准板9上下两个凸台内侧，基准板9装有导向定位套3的一侧称为右侧；

(2)装配前、后间隙板5、10和固定板7；以基准板9为基准，在基准板9右侧，将4个导向杆11从左向右依次穿过后间隙板10、前间隙板5和固定板7的通孔，用4个夹紧杆固定基准板9和固定板7，最后取16个螺母，安装在导向杆11和夹紧杆12两头的螺栓上，实现基准板9、前、后间隙板5、10和固定板7的装配与固定；

(3)装配夹紧支架2和接板1；将2个夹紧支架2和2个接板1用4个内六角螺栓进行固定连接形成夹紧支架2和接板1的装配体，接板1安装在夹紧支架2外侧的两个螺纹孔内；

(4)装配试样4；首先将涂抹过润滑剂的试样4置于前间隙板5与后间隙板10之间，将已经装配好的夹紧支架2和接板1装配体从基准板9左侧放入，使夹紧支架2的U形前端穿过基准板9安装导向定位套3的凸台两侧，然后将2根薄板试样压辊6穿过夹紧支架2上U形前端的通孔，并把内六角螺栓安装在夹紧支架2的U型前端螺纹孔内，拧紧内六角螺栓防止薄板试样压辊6在夹紧支架2的通孔内打滑；利用夹紧支架2上的薄板试样压辊6和导向定位套3的相互配合固定好试样4的夹持端，防止试样4因与前、后间隙板5、10的法向距离过大脱落或试样4在试验过程中夹持端移位扭曲而产生偏心力；最后将一个手动顶紧螺栓14安装在夹紧支架2后端中间的螺纹孔内，可以通过拧紧和放松夹紧支架2上的手动顶紧螺栓14来控制薄板试样压辊6与导向定位套3的相对距离，从而实现对不同厚度试样4的压紧固定；

(5)装配手动顶紧螺栓14与手动拉紧螺栓13；将两个手动顶紧螺栓14分别安装在基准板9与固定板7中央的螺纹孔内；将4个手动拉紧螺栓13分别安装在基准板9与固定板7上与中央螺纹孔同一水平线上的通孔内，并使手动拉紧螺栓13前端的螺纹安装在前、后间隙板5、10对应的螺栓孔内；最后通过调整手动顶紧螺栓14(手动拉紧螺栓13)来减小(增加)间隙板5、10与试样4的法向间距；

(6)装配测量块8；将4个测量块8用螺栓分别安装在基准板9与前间隙板5两侧的凸台上；测量块中央的通孔用于安装数显百分表，测量块侧方中央的螺纹孔用于安装内六角螺钉，防止数显百分表因滑动而使测量结果不准确。

步骤2，固定间隙的调整；装置与试样4装配好后，通过调节安装在基准板9与固定板7上的手动顶紧螺栓14与手动拉紧螺栓13来调节前、后间隙板5、10与试样4的法向距离。在调整过程中可根据安装在基准板9与前间隙板5上的4个百分表实现间隙的定量化控制，第一组试验分别将前、后间隙板5、10与试样4的法向距离调整为1mm；

步骤3，固定间隙下失稳起皱的测试；将该装置置于试验机拉伸空间中，用试验机液压夹具与薄板试样4的两个夹持端15连接，进行拉伸试验；同时在装置侧方对试样4进行观测，发现失稳起皱后，立即停止试验；更换试样4时，只需调节夹紧支架2上的手动顶紧螺栓14，取出变形后的试样4，将新试样4放入，重新调整夹紧支架2上的手动顶紧螺栓14，固定试样4的夹持端15；然后重复步骤2，将前、后间隙板5、10与试样4的法向距离调整为所需间距，再重复步骤3；

步骤4，起皱波高的测试；沿试样4的横向分别测量变形区的起皱波高度，则当前、后间隙板5、10与试样4的法向距离分别为0.02mm、0.1mm、0.25mm、1mm时所得结果如图17所示。

Claims (10)

1.一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征在于，包括：基准板、固定板、前间隙板、后间隙板、薄板试样压辊、导向定位套、夹紧支架、接板、夹紧杆、导向杆、手动顶紧螺栓、手动拉紧螺栓、测量块；基准板与固定板通过4个夹紧杆连接固定整个装置；前间隙板、后间隙板通过4个导向杆与基准板和固定板连接；试样位于前间隙板与后间隙板之间，夹紧支架、薄板试样压辊与导向定位套相互配合固定试样的夹持端；2个接板用于固定夹紧支架；手动顶紧螺栓与手动拉紧螺栓安装在基准板与固定板上，用于调整前、后间隙板与试样的法向距离；测量块共4个分别固定在基准板与前间隙板上，用于安装数显百分表。

2.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述基准板，是带安装孔的平板，用于安装夹紧支架、导向定位套、测量块，手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装数显百分表、夹紧杆、导向杆、手动拉紧螺栓的孔为通孔。

3.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述固定板，是带安装孔的矩形板，通过与基准板相互配合调整固定整套装置，用于安装手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装夹紧杆、导向杆、手动拉紧螺栓的孔为通孔。

4.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述前间隙板，是带安装孔的平板，负责对试样施加法向约束，用于安装测量块、手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆、数显百分表的孔为通孔。

5.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述后间隙板，形状尺寸与前间隙板相同，用于安装手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆的孔为通孔。

6.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述夹紧支架，是带安装孔的U形框架，利用螺栓固定在基准板上，通过与导向定位套、薄板试样压辊相互配合固定试样的夹持端；导向定位套，为带安装孔的矩形块，安装在基准板上；接板，呈细长板状，两端带有螺纹孔，负责固定夹紧支架；薄板试样压辊，呈细长圆柱棒，安装于夹紧支架的通孔内。

7.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述测量块，是一带安装孔的矩形块，分别安装在基准板与前间隙板上，两端的孔为螺纹孔用于固定测量块，数显百分表安装在测量块中央的通孔上，测量块侧方中央的螺纹孔用于安装内六角螺钉，防止数显百分表因滑动而使测量结果不准确。

8.如权利要求1所述一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述导向杆，中间部分为光滑杆，两端带有螺纹，固定板、前间隙板、后间隙板与基准板装配在导向杆的中间部位，可进行滑动，两端通过螺母分别固定在基准板与固定板上；夹紧杆，两端为带螺纹的细长螺栓，用于连接固定基准板与固定板。

9.如权利要求1所述一种金属薄板在可调法向约束下的失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述手动顶紧螺栓，共4个，是带圆柱手柄的螺栓，便于进行手动调节；其中两个安装于夹紧支架中央的螺纹孔内，可以通过拧紧和放松来调整夹紧杆与导向定位套的相对距离，从而实现对不同厚度薄板试样的夹紧固定；另外两个手动顶紧螺栓分别安装在基准板与固定板中央的螺纹孔内，负责减小前、后间隙板与试样的法向距离。

10.如权利要求1所述一种金属薄板在可调法向约束下的失稳起皱测试与评估装置，其特征是，所述手动拉紧螺栓，结构尺寸与手动顶紧螺栓完全相同，分别安装在基准板与固定板上与中央螺纹孔同一水平线上的通孔内，并连接在前、后间隙板的螺纹孔内，用于增大前、后间隙板与试样的法向间距。