CN105334105B - 一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法及装置，涉及材料测试及工程应用技术领域，能够解决由于被加工金属材料的局部温度出现波动，而导致的裂纹的出现时机测量不准确的问题。本发明的方法包括：根据裂纹萌生时的应变值、动态力学本构方程，对高速冲裁进行模拟得到高速冲裁过程中材料的粗略损伤阀值，再结合高速冲裁断面中的光亮带高度值对粗略损伤阀值进行优化，最终得到高速冲裁过程中裂纹萌生时材料韧性临界损伤阀值。
Description
技术领域
本发明涉及材料测试及工程应用技术领域，尤其涉及一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法及装置。
背景技术
冲裁是利用模具使金属材料产生分离的冲压工序，包括冲孔、落料、切边、切口、切断、剖切、修边等具体工序，主要用于制作零件及毛坯件。在冲裁过程中，金属材料在复杂的应力应变作用下，金属材料会经历由弹塑性变形再到断裂分离的过程。
在这当中，需要预测金属材料的断裂分离的过程，以便能够针对金属材料的断裂分离的过程，优化加工流程。目前预测金属材料的断裂分离的过程的方法，主要通过重复性的拉伸实验来确定金属材料的临界损伤阀值(即对大量的试验试样施加应力拉伸，并确定试样在拉伸到行程多少时会开始破裂，再根据破裂时的拉伸行程求得该材料的临界损伤阀值)，再根据临界损伤阀值形成参考数据发放到加工车间或写入工具书。
但是，在实际的生产过程中，被加工金属材料的局部温度会出现波动，尤其是在高速冲裁过程中，局部温度甚至可高达400℃以上。局部温度的急剧变化会金属材料的应力变化更加复杂且难以预测，从而使得裂纹的出现时机改变，与通常的拉伸实验中得到的临界损伤阀值出现较大偏差，加工车间若按照参考数据或工具书进行高速冲裁时往往会遇到成品质量下降，废品率上升的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种材料韧性损伤阀值的获取方法及装置，能够解决由于被加工金属材料的局部温度出现波动，而导致的裂纹的出现时机测量不准确的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法，包括：
对试样进行高应变速率的动态拉伸，并同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值；
根据拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据所述韧性损伤裂纹萌生的时刻和应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变；
根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程；
根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值；其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内。
第二方面，本发明的实施例提供一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置，包括：透射杆(1)、应变片(2)、高速摄相机(3)、入射杆(4)、弹丸(5)、靶板(6)、示波器(7)、补强光源(8)、分析模块；其中，透射杆(1)和入射杆(4)分别用于固定试样的两端；2个应变片(2)与示波器(7)相连，并分别设置在透射杆(1)和入射杆(4)上；弹丸(5)安装在入射杆(4)上，用于提供入射杆(4)相对于透射杆(1)的位移速度；
透射杆(1)和入射杆(4)，用于对试样进行高应变速率的动态拉伸；
高速摄相机(3)，用于同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值；
示波器(7)，用于获取应力应变数据，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变；
分析模块，用于根据高速摄相机(3)拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据所述韧性损伤裂纹萌生的时刻和所述应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值；并根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程；再根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值；其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内。
本发明实施例提供的高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法及装置，通过拉杆试验获得材料高应变速率条件下本构方程的同时，借助高速摄相机获得材料韧性损伤的临界值，从而更精确地模拟高速冲裁过程并预测冲裁断面质量，再通过高速冲裁试验优化调整了韧性损伤阀值的准确性，该方法及装置适用于拉伸型韧性损伤、剪切型韧性损伤等损伤检测过程，并能在高速冲裁这种即有拉伸变形又有剪切分离，并且金属材料的局部温度急剧变化的情况下，准确得到临界损伤阀值，从而提高高速冲裁时的成品质量，降低废品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1a为本发明实施例提供的一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法的主要流程示意图；
图1b为本发明实施例提供的一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法的具体流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高速摄像机所拍摄图像的示意图；
图3、图4为本发明实施例提供的具体实例的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置的结构示意图；
图5中各标号表示：1、透射杆；2、应变片；3、高速摄相机；4、入射杆；5、弹丸；6、靶板；7、示波器；8、补强光源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法，如图1a所示，包括：
101，对试样进行高应变速率的动态拉伸，并同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况。
其中，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值。对试样进行高应变速率的动态拉伸具体可以采用HOPKINSON拉杆测试。
102，根据拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据所述韧性损伤裂纹萌生的时刻和应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值。
其中，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变。
103，根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程。
104，根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值。
其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内，例如：如图3所示的高速冲裁有限元模型，动态力学本构方程导入模型中，并引入材料韧性断裂准则(图3以Rice&Tracy断裂准则为例)，并以裂纹萌生时的应变值C0为参考。
具体的，试样为基于HOPKINSON拉杆动态力学性能测试(即HOPKINSON拉杆测试)技术制备拉伸实验的标准试样，同步拍摄过程由高速摄像机基于DIC(Digital ImageCorrelation，数字图像相关技术)完成。
例如：如图1b所示的，利用abaqus软件进行有限元模拟时需要两方面的材料参数，一是材料的本构方程(即本实施例101中通过HOPKINSON拉杆测试，并在103中得到的动态力学本构方程)，二是材料的临界损伤值(即本实施例102中通过对HOPKINSON拉杆测试中高速摄像机拍摄的变形情况，得到所述裂纹萌生时的应变值C0)。需要说明的是，所述裂纹萌生时的应变值C0是一种粗略值，虽为然接近实际的高速冲裁时的损伤阀值C1，但精确程度依然难以满足加工需求。因此需要进一步进行优化分析并得到最终的临界损伤阀值。本实施例提供的具体优化过程包括：将材料的本构方程和材料的临界损伤值C0导入有限元模拟软件abaqus并进行模拟，并将abaqus模拟得到的光亮带高度结果Hi与高速冲裁中通过测量所述试样高速冲裁断面得到的光亮带高度值H1值进行对比，若二者不相等或二者相差大于指定范围，则以C0作为基础值进行调整，并得到调整值Ci，并将调整值Ci和本构方程再次导入abaqus进行模拟。重复该过程，直至Hi＝H1或n≤Hi-H1≤m([n,m]为所述指定范围)时，将最新的调整值Ci作为所述临界损伤阀值，例如：如图4所示，Hi与H1进行对比，并在C0的基础上适当调整以获得吻合试验值H1(Hi＝H1)的临界损伤阀值Ci。
在本实施例的优选方案中，所述准静态单向拉伸的应变速率为0.001/s。，使得试样获得准静态条件下的屈服应力σ0。在本实施例的优选方案中，所述光亮带高度的模拟值等于所述光亮带高度值。
在本实施例中，所述同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，包括：在开始对所述试样进行高应变速率的动态拉伸直至所述试样断裂的过程中，通过高速摄相机拍摄所述试样，并记录每一张照片拍摄时所述试样的应力应变数据。
在本实施例中，所述裂纹萌生的时刻包括：若所述试样的局部直径与最初的尺寸相比减小，且形状凹陷并有裂痕,此时即视为颈缩现象，则在所拍摄的照片中，第一张显示了上述图像的照片的拍摄时刻为所述裂纹萌生的时刻。例如：拉伸实验过程中试样变形、颈缩与断裂形貌所对应的时刻记录可通过高速摄像机4获得，在高速摄像过程中为获得高清图像，可借助光源5补强光线。获得试样断裂瞬间所记录的时间点后，结合数据采集装置2所获得的应力应变数据，确定断裂瞬间所对应的损伤应变值C0，如图2所示的，中间一张图片可以清晰发现试样中间的直径与最初的尺寸相比,局部凹进去并有裂痕,此时即视为颈缩现象；而在此前时刻,试样直径均匀缩小但未有局部凹陷,视为拉伸过程中的弹性变形.这一时刻通过高相摄相可以清晰反应并能准确记录时刻点。在本实施例中，可以由高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置中的分析模块，利用图像分析技术识别出第一张显示了萌生裂纹的照片。
具体的，所述动态力学本构方程(或称为J-C本构方程)为：
其中,σ表示流动应力，ε表示等效塑性应变,表示参考应变速率，且 表示应变速率，T表示试验温度，Tr表示室温，Tm表示所述试样的材料熔点温度，A表示所述试样在准静态拉伸过程中的屈服应力σ0，m、B和C分别表示材料常数，B和C可以根据HOPKINSON拉杆测试中采集的流动应力、等效塑性应变数据通过Origin软件拟合得到。方程中n、C、m、A、B为材料常数，根据准静态拉伸试验可求得n、A、B值；室温下的高应变速率拉伸试验可求得C值；不同温度下的高应变速率拉伸试验可求得m值。具体的，本实施例中的临界损伤阀值的确定过程可理解为以下过程：
1、利用HOPKINSON试验获得裂纹萌生时的应变值(此时的应变值为高速拉伸的损伤阀值，不是我们想得到的高速冲裁的损伤阀值)、动态力学本构方程；
2、前述1的结果用于高速冲裁过程的数值模拟，得到高速冲裁过程中损伤阀值的粗略值；
3、结合光亮带高度值，对前述2所得到的粗略值进行优化(优化的方法可参考步骤104的具体内容以及举例解释)。
本发明实施例提供的高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法，通过拉杆试验获得材料高应变速率条件下本构方程的同时，借助高速摄相机获得材料韧性损伤的临界值，从而更精确地模拟高速冲裁过程并预测冲裁断面质量，再通过高速冲裁试验优化调整了韧性损伤阀值的准确性，该方法及装置适用于拉伸型韧性损伤、剪切型韧性损伤等损伤检测过程，并能在高速冲裁这种即有拉伸变形又有剪切分离，并且金属材料的局部温度急剧变化的情况下，准确得到临界损伤阀值，从而提高高速冲裁时的成品质量，降低废品率。
本发明实施例提供一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置，如图5所示，包括：
透射杆(1)、应变片(2)、高速摄相机(3)、入射杆(4)、弹丸(5)、靶板(6)、示波器(7)、补强光源(8)、分析模块。其中，透射杆(1)和入射杆(4)分别用于固定试样的两端。2个应变片(2)与示波器(7)相连，并分别设置在透射杆(1)和入射杆(4)上。弹丸(5)安装在入射杆(4)上，用于提供入射杆(4)相对于透射杆(1)的位移速度。
透射杆(1)和入射杆(4)，用于对试样进行高应变速率的动态拉伸。
高速摄相机(3)，用于同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值。
示波器(7)，用于获取应力应变数据，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变。
分析模块，用于根据高速摄相机(3)拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据所述韧性损伤裂纹萌生的时刻和所述应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值。并根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程。再根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值。其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内。
在本实施例的优选方案中，所述准静态单向拉伸的应变速率为0.001/s。所述光亮带高度的模拟值等于所述光亮带高度值。
在本实施例中，所述裂纹萌生的时刻包括：
若所述试样的局部直径与最初的尺寸相比减小，且形状凹陷并有裂痕,此时即视为颈缩现象，则在高速摄相机(3)所拍摄的照片中，第一张显示了上述图像的照片的拍摄时刻为所述裂纹萌生的时刻。
在本实施例中，所述高速摄相机(3)，具体用于：在开始对所述试样进行高应变速率的动态拉伸直至所述试样断裂的过程中，通过高速摄相机拍摄所述试样。
示波器(7)，具体用于并记录每一张照片拍摄时所述试样的应力应变数据。
本发明实施例提供的高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置，通过拉杆试验获得材料高应变速率条件下本构方程的同时，借助高速摄相机获得材料韧性损伤的临界值，从而更精确地模拟高速冲裁过程并预测冲裁断面质量，再通过高速冲裁试验优化调整了韧性损伤阀值的准确性，该方法及装置适用于拉伸型韧性损伤、剪切型韧性损伤等损伤检测过程，并能在高速冲裁这种即有拉伸变形又有剪切分离，并且金属材料的局部温度急剧变化的情况下，准确得到临界损伤阀值，从而提高高速冲裁时的成品质量，降低废品率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取方法，其特征在于，包括：
对试样进行高应变速率的动态拉伸，并同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值；
根据拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据韧性损伤裂纹萌生的时刻和应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变；
根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程；
根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值；其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述裂纹萌生的时刻包括：
若所述试样的局部直径与最初的尺寸相比减小，且形状凹陷并有裂痕,此时即视为颈缩现象，则在所拍摄的照片中，第一张显示了上述图像的照片的拍摄时刻为所述裂纹萌生的时刻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，包括：
在开始对所述试样进行高应变速率的动态拉伸直至所述试样断裂的过程中，通过高速摄相机拍摄所述试样，并记录每一张照片拍摄时所述试样的应力应变数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态力学本构方程为：
其中,σ表示流动应力，ε表示等效塑性应变,表示参考应变速率，且 表示应变速率，T表示试验温度，Tr表示室温，Tm表示所述试样的材料熔点温度，A表示所述试样在准静态拉伸过程中的屈服应力σ0，m、B和C分别表示材料常数。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述准静态单向拉伸的应变速率为0.001/s；
所述光亮带高度的模拟值等于所述光亮带高度值。
6.一种高速冲裁裂纹萌生临界损伤阀值的获取装置，其特征在于，包括：透射杆(1)、应变片(2)、高速摄相机(3)、入射杆(4)、弹丸(5)、靶板(6)、示波器(7)、补强光源(8)、分析模块；其中，透射杆(1)和入射杆(4)分别用于固定试样的两端；2个应变片(2)与示波器(7)相连，并分别设置在透射杆(1)和入射杆(4)上；弹丸(5)安装在入射杆(4)上，用于提供入射杆(4)相对于透射杆(1)的位移速度；
透射杆(1)和入射杆(4)，用于对试样进行高应变速率的动态拉伸；
高速摄相机(3)，用于同步拍摄所述试样在拉伸不同时刻的变形情况，所述变形情况包括：变形、颈缩和断裂形貌中的至少一种，其中，颈缩时刻对应的临界应变值为所述裂纹萌生时的应变值；
示波器(7)，用于获取应力应变数据，所述应力应变数据包括：所述试样在高应变速率的动态拉伸下的应力应变曲线、动态屈服强度和屈服应变；
分析模块，用于根据高速摄相机(3)拍摄的变形情况，确定裂纹萌生的时刻，并根据韧性损伤裂纹萌生的时刻和所述应力应变数据，得到所述裂纹萌生时的应变值；并根据所述应力应变数据和所述试样在准静态单向拉伸下的屈服应力，获取所述试样在高应变速率的动态拉伸下的动态力学本构方程；再根据所述裂纹萌生时的应变值、所述动态力学本构方程和光亮带高度值，得到所述临界损伤阀值；其中，所述光亮带高度值是在高速冲裁中，通过测量所述试样高速冲裁断面得到的，且所述动态力学本构方程在冲裁有限元模拟模型中采用所述裂纹萌生时的应变值得到的光亮带高度的模拟值与所述光亮带高度值之差在指定范围内。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述裂纹萌生的时刻包括：
若所述试样的局部直径与最初的尺寸相比减小，且形状凹陷并有裂痕,此时即视为颈缩现象，则在高速摄相机(3)所拍摄的照片中，第一张显示了上述图像的照片的拍摄时刻为所述裂纹萌生的时刻。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高速摄相机(3)，具体用于：在开始对所述试样进行高应变速率的动态拉伸直至所述试样断裂的过程中，通过高速摄相机拍摄所述试样；
示波器(7)，具体用于并记录每一张照片拍摄时所述试样的应力应变数据。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述动态力学本构方程为：
其中,σ表示流动应力，ε表示等效塑性应变,表示参考应变速率，且 表示应变速率，T表示试验温度，Tr表示室温，Tm表示所述试样的材料熔点温度，A表示所述试样在准静态拉伸过程中的屈服应力σ0，m、B和C分别表示材料常数。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的装置，其特征在于，所述准静态单向拉伸的应变速率为0.001/s；
所述光亮带高度的模拟值等于所述光亮带高度值。
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