CN108573099B - 金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其包括：1）制作大小不同的多个试件；2）基于DIC应变测量系统，对各所述试件进行拉伸试验，并且结合硬化/屈服模型计算各试件的主次应力分布；3）沿试件中间区域的横截面，绘制所述DIC应变测量系统采样帧数中面畸变形成后任一帧对应的横截面轮廓曲线，将截面轮廓曲线中平直段与曲线段的分离点作为面畸变区的失稳边界位置；4）针对每个试件：提取面畸变的失稳边界位置处的次应力数值，绘出次应力值—拍摄帧数曲线图，找出次应力最低点，次应力最低点为面畸变失稳临界压应力；5）绘出各试件的面畸变的失稳边界位置对应的面畸变失稳临界压应力，得到临界压应力失稳曲线。

Description

金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法

技术领域

本发明涉及金属冲压技术领域，特别是涉及一种金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法。

背景技术

表面面畸变是指车身外覆盖件在冲压成形中产生的局部小凹坑，广泛分布在车门、顶盖、行李箱盖等车身外覆盖件。面畸变的起伏高度很小，一般在20～200μm。由于面畸变对于整车的外观质量有很大的影响，因此备受汽车制造商和相关研究机构的关注。然而目前对于面畸变的形成机理，未从力学角度对面畸变缺陷形成的机理做出明确的解释。

对于面畸变的研究，面畸变的形成机制是面畸变研究中的关键问题，对于面畸变的预防和控制具有重要的指导意义。现有研究表明，面畸变的形成与零件的回弹及残余应力分布有着密切的关系。林豐将面畸变的原因归纳为零件成形后的面内残余应力；周驰等通过车门成形拉手处的面畸变研究，认为成形末端的应力分布不均匀是引起该类面畸变的主要原因；堪勇志等通过对门把手处的仿真分析发现漩涡形状的应力和回弹释放是产生面畸变的原因；由此可见，目前对于面畸变的形成机理研究仅限于初步的理论分析，未从力学角度对面畸变的形成做出明确解释。

因此，需要一种可从力学角度进行后续分析使用的临界压应力失稳曲线。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，用于解决现有技术中无法获取临界压应力失稳曲线，致使无法从力学角度进行面畸变形成机理进行分析的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其特征在于，包括：

1)采用汽车外覆盖件所用金属板材制作大小不同的多个试件，每个试件在长度方向上中间区域的宽度大于两端的宽度；

2)基于DIC应变测量系统，对各所述试件进行拉伸试验，并且结合硬化/屈服模型计算各试件的主次应力分布；

3)观测拉伸后的各试件表面，试件中间产生面畸变区域记为面畸变区，试件的两端未发生曲率变化记为平直区；过面畸变程度最大点取横截面，绘制所述DIC应变测量系统采样帧数中面畸变形成后任一帧对应的横截面轮廓曲线，将截面轮廓曲线中平直段与曲线段的分离点作为面畸变区的失稳边界位置；

4)针对每个所述试件：提取所述面畸变的失稳边界位置处的次应力数值，绘出次应力值—拍摄帧数曲线图，其中DIC应变测量系统的采样帧数作为次应力值—拍摄帧数曲线图的X轴，失稳边界位置处的次应力数值作为Y轴；在次应力值—拍摄帧数曲线图中找出次应力最低点，次应力最低点为面畸变失稳临界压应力；

5)以面畸变程度最大点作为坐标原点，以面畸变区的宽度方向为X轴，以次应力数值作为Y轴的坐标，标出各试件的面畸变的失稳边界位置对应的面畸变失稳临界压应力，将所有试件得到的点相连得到的曲线为临界压应力失稳曲线。

优选的，所述步骤3)中，所述横截面轮廓曲线取自所述DIC应变测量系统采样帧数中的最后一帧。

优选的，所述步骤1)中，每个所述试件需进行喷漆，喷漆过程中保证点大小适中、分布均匀。

优选的，所述步骤2)中所述试件的主次应力分布的具体获取步骤如下：

A、由DIC应变测量系统可得拉伸后试件的主应变ε₁、次应变ε₂，获取主次应变比ρ；

以及根据主应变和次应变来计算厚向异性板内的等效应变dε_i，

B、设主应力σ₁和次应力之比σ₂为α；

C、α与ρ的关系为：

其中r为厚向异性指数；

D、板材的应力σ_i与应变ε_i之间符合：

E、基于希尔1948屈服准则，

其中r为厚向异性指数；

F、所述厚向异性指数r可根据所述试件的材料查得其为定值，再根据所述步骤A至E中的公式，可计算得出试件的主次应力分布。

如上所述，本发明的金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，具有以下有益效果：通过板材对拉试验与DIC应变测量系统相结合，得到了临界压应力失稳曲线。临界压应力失稳曲线是材料基本力学性能的表征，与材料的厚度、屈服强度、抗拉强度及材料冷作硬化性能有关。当一定变形区域所受的压应力超过临界失稳曲线时，板料会在该区域的边界处发生失稳，表现出表面畸变，该曲线可以解释汽车外覆盖件表面面畸变的形成机理：由于对称压应力超过失稳极限所导致的局部失稳现象。

附图说明

图1显示为本发明的试件示意图。

图2显示为本发明的横截面轮廓曲线示意图。

图3显示为次应力值—拍摄帧数图。

图4显示为临界压应力失稳曲线图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在现有技术中通过建立面畸变几何模型，使用能量法推导得临界压应力失稳公式为：

其中，Er为折减弹性模数，它反映材料的弹性模数E(弯曲时的卸载路线)与应变强化模数D(弯曲时的加载路线)的综合效应；t为板料宽度；l为面畸变区的跨度。

由上述公式(1)可以看出临界压应力σ_θcr与面畸变区跨度的平方l²成反比。将由该公式获得的曲线称为板材的临界压应力失稳曲线。临界压应力失稳曲线是材料基本力学性能的表征，与材料的厚度、屈服强度、抗拉强度及材料冷作硬化性能有关。当一定变形区域所受的压应力超过临界失稳曲线时，板料会在该区域的边界处发生失稳，表现出表面畸变，该曲线可以解释汽车外覆盖件表面面畸变的形成机理：由于对称压应力超过失稳极限所导致的局部失稳现象。

本发明通过实验方法来获取上述板材的临界压应力失稳曲线，其具体为：

本实施例中汽车外覆盖件所用板材选用0.9mm厚度的6系铝板，即以0.9mm厚度的6系铝板为试验材料来制作试件，具体说明通过实验方法获得临界压应力失稳曲线，其具体内容如下：

1)制作大小不同的多个试件，每个试件在长度方向上中间区域的宽度大于两端的宽度；

见图1所示，试件中间区域宽度为L1，试件中除两端长方形外的区域长度为L2，试件两端的宽度均为W；按照图1及表1制定的试件尺寸形状参数，采用激光切割加工工艺加工各试件；

表1

2)对加工后的各试件进行喷漆处理，喷漆过程中保证点大小适中、分布均匀；

3)基于DIC应变测量系统，对各试件进行拉伸试验，并且结合硬化/屈服模型计算各试件的主次应力，其具体步骤如下：

由DIC应变测量系统可得拉伸后试件的主应变ε₁、次应变ε₂，不妨记主次应变比为：

假设主应力为σ₁、次应力为σ₂；主次应力比为：

α与ρ的关系为：

其中，r为厚向异性指数；厚向异性系数r值是反映材料塑性行为特征的一个重要指数，厚向异性系数r为宽度方向塑性应变率与厚度方向塑性应变率的比值；当通过实验测的不同方向的厚向异性系数差距越大，说明材料的厚向异性特征越明显。

又知：厚向异性板内的等效应变为：

根据流动性准则，材料的应力与应变符合某种等量关系：

屈服准则表示在复杂应力状态下材料开始进入屈服的条件，它的作用是控制塑性变形的开始阶段；屈服条件在主应力空间中为屈服方程。本实施例中基于希尔1948屈服准则，又有

对于选用的6系铝板材料，已知r＝0.65，且材料的应力与应变符合以下等量关系：

σ_i＝383.5885ε_i ^0.25 式(8)

综合，可以根据拉伸后试件的主、次应变获得试件的主、次应力分布。

4)观测拉伸后的试件表面，中间区域产生面畸变，有较为明显的曲率变化，试件左右两端并未发生曲率变化，较为平直，即试件中间产生面畸变区域记为面畸变区，试件的两端记为平直区。平直区与面畸变区的分界处即为面畸变边界。过面畸变程度最大点取横截面，本说明书中的横截面指沿图1中L1方向所得的横断面，绘制DIC应变测量系统采样帧数中面畸变形成后任一帧对应的横截面轮廓曲线，将截面轮廓曲线中平直段与曲线段的分离点作为面畸变区的失稳边界位置，见图2所示，图2中实线表示横截面轮廓曲线，虚线表示试件未发生变形段的延长线，A所指为面畸变区的失稳边界位置；

经分析可得，在失稳起始帧及最后一帧间等间隔提取不同帧中试件的横截面形状图，按照上述方法所得失稳边界位置基本保持不变，说明在面畸变失稳过程中，失稳边界位置保持不变，因此本实施例中优选：横截面轮廓曲线取自所述DIC应变测量系统采样帧数中的最后一帧。

5)针对每个试件：提取失稳边界位置处次应力数值，绘出次应力值—拍摄帧数(拍摄帧数即拍摄时间)图，其中DIC应变测量系统的采样帧数作为次应力值—拍摄帧数曲线图的X轴，失稳边界位置处的次应力数值作为Y轴。根据临界次应力随拍摄帧数(时间)变化情况，在方板拉伸过程中，垂直于拉伸方向上的压应力不断增大，当增大到一定数值时试件中心区域发生失稳，随后压应力得到释放逐渐增大，因此以次应力最低点B为面畸变失稳临界压应力，如图3。

6)制作坐标系：以面畸变程度最大点为坐标原点，以面畸变区的宽度方向作为X轴，以次应力数值作为Y轴的坐标值，标出各试件的面畸变的失稳边界位置对应的面畸变失稳临界压应力，将所有试件得到的点相连得到的曲线为临界压应力失稳曲线；即将各试件的失稳点位置及失稳临界压应力绘于坐标系中，可得到临界压应力失稳曲线，如图4。临界压应力失稳曲线的公式为

综上所述，本发明的汽车外覆盖件所用金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，将方板对拉试验与DIC技术相结合，得到了临界压应力失稳曲线；便于分析人员从力学角度对面畸变缺陷形成的机理做出明确的解释，通过建立面畸变几何模型，使用能量法推导临界压应力失稳公式，而本发明获取的临界压应力失稳曲线验证了面畸变几何模型的正确性，从而进一步解释了汽车外覆盖件表面面畸变的形成机理：由于对称压应力超过失稳极限所导致的局部失稳现象。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其特征在于，包括：

1)采用汽车外覆盖件所用金属板材制作大小不同的多个试件，每个试件在长度方向上中间区域的宽度大于两端的宽度；试件的两端为长方形，且试件中间区域宽度为L1，试件中除两端长方形外的区域长度为L2，试件两端的宽度均为W，其中，L1、L2和W符合以下关系：L1为100mm，L2为80-120mm，W为40mm；或者，L1为90mm，L2为55-70mm，W为30mm；或者，L1为70mm，L2为40-60mm，W为25mm；

2)基于DIC应变测量系统，对各所述试件进行板材对拉试验，并且结合硬化/屈服模型计算各试件的主次应力分布；

3)观测拉伸后的各试件表面，试件中间产生面畸变区域记为面畸变区，试件的两端未发生曲率变化记为平直区；过面畸变程度最大点取横截面，绘制所述DIC应变测量系统采样帧数中面畸变形成后任一帧对应的横截面轮廓曲线，将截面轮廓曲线中平直段与曲线段的分离点作为面畸变区的失稳边界位置；

4)针对每个所述试件：提取所述面畸变的失稳边界位置处的次应力数值，绘出次应力值—拍摄帧数曲线图，其中DIC应变测量系统的采样帧数作为次应力值—拍摄帧数曲线图的X轴，失稳边界位置处的次应力数值作为Y轴；在次应力值—拍摄帧数曲线图中找出次应力最低点，次应力最低点为面畸变失稳临界压应力；

5)以面畸变程度最大点作为坐标原点，以面畸变区的宽度方向为X轴，以次应力数值作为Y轴的坐标，标出各试件的面畸变的失稳边界位置对应的面畸变失稳临界压应力，将所有试件得到的点相连得到的曲线为临界压应力失稳曲线。

2.根据权利要求1所述的金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述横截面轮廓曲线取自所述DIC应变测量系统采样帧数中的最后一帧。

3.根据权利要求1所述的金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其特征在于：所述步骤1)中，每个所述试件需进行喷漆，喷漆过程中保证点大小适中、分布均匀。

4.根据权利要求1所述的金属板材的临界压应力失稳曲线获取方法，其特征在于：所述步骤2)中所述试件的主次应力分布的具体获取步骤如下：

A、由DIC应变测量系统可得拉伸后试件的主应变ε₁、次应变ε₂，获取主次应变比ρ；

以及根据主应变和次应变来计算厚向异性板内的等效应变d_i，

B、设主应力σ₁和次应力之比σ₂为α；

C、α与ρ的关系为：

其中r为厚向异性指数；

D、根据流动性准则，板材的应力σ_i与应变ε_i之间符合：

E、基于希尔1948屈服准则，

其中r为厚向异性指数；

F、所述厚向异性指数r可根据所述试件的材料查得其为定值，再根据所述步骤A至E中的公式，可计算得出试件的主次应力分布。

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