CN110686982B - 适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台及方法，包括电加热控温系统、拉伸控制系统和应变测量系统，拉伸控制系统包括试验机、双向十字拉伸装置、标尺光栅和力值传感器，试验机与双向十字拉伸装置相连，对其施加压力，双向十字拉伸装置用于夹持并拉伸待测试件标尺光栅与力值传感器用于读取所述试件的拉伸长度和力值；电加热控温系统使拉伸控制系统的周围环境温度达到设定值；应变测量系统包括相互连接的测量头和处理器，所述测量头包括用于采集拉伸过程图像的相机，所述处理器根据图像获得试件在设定温度下拉伸测试过程的应变值。本公开能够精确测试板材在高温下等双拉及不同加载比例下材料的力学性能及成形性能。

Description

适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台及方法
技术领域
本公开属于金属板材力学性能及成形性能表征测试领域，具体涉及一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
十字双拉能获得板材在等双拉及不同应变路径下板材的力学性能、屈服准则及成形极限，而不同温度下板材在等双拉及不同应变路径、屈服准则及成形极限下的力学性能对指导板材成形工艺尤为重要。
发明人在此之前研发了一种双向十字拉伸测试装置(申请号为201710187880.1)解决了现有机械式拉伸装置的拉伸比例受限、不能全面测试材料不同拉伸下的力学性能问题，为不同温度下的拉伸测试提供了一定的帮助，但是，据发明人了解，目前能够对金属进行不同温度下双向十字拉伸性能测试的平台，一般均是由液压式或机械式双向拉伸装置和加热炉二者组合而成，而在加热炉内进行不同温度拉伸测试时，由于封闭的炉体中的高温空气、玻璃对光线折射等原因，导致非接触应变测量技术(即DIC技术)不能很好的应用，影响测试精度，进而无法获得精确的板材力学性能及成形性能，无法为板材成形提供精确的数据基础。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台及方法，本公开能够精确测试板材在高温下(可达500摄氏度)等双拉及不同加载比例下材料的力学性能、屈服准则及成形性能。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，包括电加热控温系统、拉伸控制系统和应变测量系统，其中：
所述拉伸控制系统包括试验机、双向十字拉伸装置、标尺光栅和力值传感器，所述试验机与双向十字拉伸装置相连，对其施加压力，所述双向十字拉伸装置用于夹持并拉伸待测试件，所述标尺光栅与所述力值传感器用于读取所述试件的拉伸长度和力值；
所述电加热控温系统包括控制器、温度传感器和可调节直流电源，所述可调节直流电源与待测试件连接，利用自阻加热能够使试件产生焦耳热，使试件温度升高，所述温度传感器采集所述试件温度，并反馈至所述控制器，所述控制器控制所述可调节直流电源的输出，使温度达到设定值；
所述应变测量系统包括相互连接的测量头和处理器，所述测量头包括用于采集拉伸过程中图像的相机，所述处理器根据图像获得试件在设定温度下拉伸测试过程的应变值。
通过上面的方案，可以精确控制温度环境，构造热环境，同时，利用测量头和处理器自动得到应变测量结果，能够克服现有的热环境十字拉伸试验平台无法准确获取试件应变场的不足，能够精确测试板材在高温下等双拉及不同加载比例下材料的力学性能、屈服准则及成形性能。
作为可选择的实施方案，所述可调节直流电源通过导线与用于固定试件的夹持部件连接，所述夹持部件包括相对设置的上夹片和下夹片，所述上夹片和下夹片的外侧均与夹头绝缘连接，所述上夹片和下夹片上还贯穿设置有导电的接线柱，所述接线柱与所述导线连接。
作为进一步的限定，所述上夹片和下夹片的端部通过销钉定位。
作为进一步的限定，所述上夹片和下夹片分别通过绝缘层与所述夹头连接。
作为可选择的实施方案，所述双向十字拉伸装置包括十字底座、梯形块底座、梯形块、十字下压组件、夹持部件、拉力传感器、弹簧、标尺光栅及光栅读数头，所述十字底座设置有十字凹槽，所述梯形块底座分别设置在所述十字凹槽的四个分槽内，并沿所述十字凹槽的分槽滑动；
所述梯形块底座上垂直设置有挡板，所述梯形块活动设置在所述挡板的内侧，所述梯形块底座面向所述十字底座中心点的一端固定设置所述夹持部件，所述拉力传感器设置在所述梯形块底座与所述夹持部件之间；
所述十字下压组件包括十字下压臂和下压头，所述下压头设置在所述十字下压臂的中心位置，所述梯形块的下底面靠在所述挡板上，所述梯形块的斜面与所述十字下压臂的顶端滚轮相抵；
所述十字底座的内壁平行设置有凹槽，所述标尺光栅设置在所述凹槽内，所述梯形底座上设置与所述标尺光栅对应的光栅读数头；
所述梯形块的底边与斜边间的夹角设置为不同的角度。
作为进一步的限定，所述试验机的移动横梁带动所述双向十字拉伸装置下压头与下压板下压运动，下压板四角分别与四个梯形块的斜边通过滚动轴承相抵，从而使下压板的垂直运动转化为四个梯形块的水平运动，所述梯形块通过导轨连接与底板上，四个梯形块底座靠近底板中心位置的一端设置夹持部件，在夹持部件与梯形块之间设置力值传感器。
作为可选择的实施方案，所述应变测量系统为DIC三维数字散斑应变仪组成，包括可调节的测量头和处理器，所述可调节的测量头包括相机、光源和支架，所述相机和光源设置于所述支架上，所述支架与所述夹持部件之间距离可调。
作为可选择的实施方案，所述控制器采用PID控制方法控制所述可调节直流电源的输出。
作为可选择的实施方案，所述控制器还连接有显示器和输入模块，显示器显示采集的温度值，输入模块采集可调节直流电源的控制指令。
基于上述测试平台的工作方法，包括：
利用电加热控温系统构造试件拉伸试验的设定温度的热环境，在此热环境下，试验机对双向十字拉伸装置施加压力，所述双向十字拉伸装置对待测试件进行拉伸，采集整个拉伸过程的图像，以及读取试件的拉伸长度和力值，进而计算得到热拉伸试件的应变场。
作为可选择的实施方案，测量前，利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，根据相机幅面参数，调节所述测量头与试件之间的测量距离，校正相机十字中心线，保证测量图像的对准。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开提供一种加热控温十字拉伸试验平台，该平台可以对十字形试件进行精准加热控温，消除了密闭空间热气体及玻璃等对非接触应变测量系统的影响，能够精确测量试件应变场并记录板材变形过程中的应变、力值和位移发展历史，为板材在高温下的力学性能表征及成形性能测试提供帮助，且该平台加热设备不受装置结构限制，为试验操作提供便利。
本公开利用电加热控温系统、拉伸控制系统和应变测量系统的相互配合与联动，能够精确测试板材在不同高温环境下双拉或单拉及不同加载比例下材料的力学性能及成形性能，测试内容更加全面，测试环境更为多样、灵活可控。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的测试平台组成结构示意图；
图2是本公开的双向十字拉伸装置示意图；
图3是本公开的夹持部件放大图；
图4是本公开的应变测量系统结构示意图；
其中，1-十字底座，2-梯形块底座，3-梯形块，4-十字下压组件，41-十字下压臂，42-下压头，5-夹持部件，50-绝缘销钉，51-绝缘层，52-接线柱，53-大载流导线，54-上夹片，55-试件，56-下夹片，57-夹头，6-定位销，7-挡板，8-拉力传感器，9-弹簧，10-标尺光栅，11-光栅读数头，12-滚动圆柱，13-激光加热器，14-三维数字散斑应变仪，15-反射镜，16-三角形肋板，17-滑动挡板。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例一：
如图1-4所示，提供一种测试平台，包括电加热控温系统、拉伸控制系统和应变测量系统，拉伸控制系统包括试验机、双向十字拉伸装置、标尺光栅和力值传感器，试验机与双向十字拉伸装置相连，对其施加压力，所述双向十字拉伸装置用于夹持并拉伸待测试件，所述标尺光栅与所述力值传感器用于读取所述试件的拉伸长度和力值；
电加热控温系统包括控制器、温度传感器和可调节直流电源，所述可调节直流电源与待测试件连接，能够使试件产生焦耳热，使试件温度升高，所述温度传感器采集所述试件温度，并反馈至所述控制器，所述控制器控制所述可调节直流电源的输出，使温度达到设定值；
应变测量系统包括相互连接的测量头和处理器，所述测量头包括用于采集拉伸过程图像的相机，处理器根据图像获得试件在设定温度下拉伸测试过程的应变值。
具体的，在部分实施例中，电加热控温系统包括嵌入式触摸显示屏、PLC控制器、温度传感器和低压大电流可调节直流电源，PLC控制器包括CPU处理器模块、热电偶信号模块和电源模块，其中，嵌入式触摸显示屏与PLC控制器连接，温度传感器采集所述试件温度，并反馈至PLC控制器的热电偶信号模块，热电偶信号模块与CPU处理器模块连接，电源模块为CPU处理器模块、热电偶信号模块供电。
电加热控温系统的原理是试件通直流电，利用金属试件的电阻产生焦耳热，使试件温度升高。
在本实施例中，电加热控温系统是以CPU处理器模块为主机，扩展热电偶信号模块，与温度传感器连接的热电偶信号模块将温度传感器采集到的试件温度进行处理并传送至CPU处理器。具体的处理过程可以选用现有方法或电路，在此不再赘述。
CPU处理器将采集到的试件实时温度与目标温度进行比较得出误差值，利用CPU处理器中存储有PID控制程序或算法，根据误差值得到控制指令，CPU处理器对控制指令进行处理，处理后的控制信号从PLC控制器输出口输出，转换为0-5V电信号，输送至自动模式下的低压大电流可调节直流电源，控制低压大电流可调节直流电源输出值，从而实现该平台的加热控温功能。
当然，在部分实施例中，控制指令可以直接由嵌入式触摸显示屏输入，实现人工或手动控制加热控温温度。
在其他部分实施例中，电加热控温系统还附带有安全保护系统，可实现紧急情况下系统的安全保护。
在部分实施例中，拉伸控制系统包括试验机、双向十字拉伸装置、标尺光栅、力值传感器。其中，双向十字拉伸装置优选机械式，可以选用申请号为201710187880.1提供的双向十字拉伸装置，如图2所示，双向十字拉伸测试装置包括十字底座1、梯形块底座2、梯形块3、十字下压组件4、夹持部件5、拉力传感器8、弹簧9、标尺光栅10及光栅读数头11。
十字底座1上设置有十字凹槽，使十字底座1形成一个十字框架，在十字凹槽的分槽内分别设置梯形块底座2，梯形块底座2可在分槽内滑动。梯形块底座2由十字底座1的中心位置向外滑动，或由外向十字底座1的中心位置滑动。
梯形块底座2上垂直设置挡板7，并且挡板7的内侧朝向十字底座1的中心，梯形块3放置在挡板7面向十字底座1中心的一侧，其中，梯形块3的下底靠在挡板7上。四个梯形块底座2靠近十字底座1中心位置的一端设置夹持部件5，在夹持部件5与梯形块底座2之间设置拉力传感器8。其中，拉力传感器8通过螺栓连接固定在梯形底座2上，并且与夹持部件5固定连接。
其他更为细节的内容可以参考申请号为201710187880.1的说明书，在此不再赘述。
在使用过程中，下压头42顶端与商用试验机移动横梁连接，底部连接于下压板41中心。通过对商用试验机进行操控，商用试验机的移动横梁带动下压头42与下压板41下压。下压板41四角分别与四个梯形块3的斜边通过滚动轴承相抵，从而使下压板41的垂直运动转化为四个梯形块的水平运动。当下压下压板42时四个滚动轴承沿梯形块3的斜边滑动，梯形块受到下压头42的推力在水平方向上向外滑动，带动夹持部件5向外拉伸试件，力值传感器8测量双向十字拉伸测试装置对试件的拉力，标尺光栅10测量试件在两个垂直方向上的位移。梯形块通过导轨连接与底板上，四个梯形块底座靠近底板中心位置的一端设置夹持部件，在夹持部件与梯形块之间设置力值传感器。标尺光栅读数头与梯形块连接，标尺光栅固定于底板上。
在这些实施例中，夹持部件具体如图3所示，包括上夹片54、下夹片56、接线柱52、夹头57、与大载流导线53，其中，试件55置于上夹片54、下夹片56之间，通过接线柱52固定，配以两绝缘侧销钉50定位，利用接线柱52与大载流导线53相接，夹头57靠近上夹片54、下夹片56一侧表面涂绝缘层材料，采用绝缘销钉50对夹持部件5进行整体定位。
绝缘销钉50对夹头57、上夹片54、下夹片56、试件55定位，夹头57与上夹片54、下夹片56相接触表面涂绝缘层51，通过采用绝缘材料与绝缘层51保证实验的安全进行，接线柱52连接大载流导线53，对上夹片54、下夹片56、试件55固定，两侧采用销钉50定位。
绝缘销钉50对夹头57、上夹片54、下夹片56和试件55定位，绝缘层51位于夹头57靠近上夹片54、下夹片56一侧，上夹片54、下夹片56的两端可以均采用销钉50定位，同样的，上夹片54、下夹片56的两端也设置接线柱52，以连接大载流导线53。接线柱52是导电的，且贯穿上夹片54、下夹片56。
在部分实施例中，应变测量系统选用DIC三维数字散斑应变仪，包括可调节的测量头、控制箱和计算机，其中所述可调节的测量头包括相机、激光、LED和支架。如图4所示，控制箱控制相机、激光、LED的工作，计算机接收相机的采集图像，支架相对于双向十字拉伸装置/试件的距离可调。
在测量前，利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，然后根据相机幅面参数，调节所述可调节的测量头与试件之间的测量距离。测量时，在PC端新建工程，完成参数初始化设置后，校正相机十字中心线，开始采集图像。图像采集完毕，在计算模式下创建面片区域和种子点，自动计算得到测量结果。
应变测量系统通过相机采集试件上的散斑图像，同时利用数字图像相关算法(DIC)匹配表面的变形点，通过各点三维坐标的变化计算得到热拉伸试件的应变场。作为光学非接触式三维应变测量系统，具有快速、简单、灵活、高精度的优点，能够实现非接触式测量，获得试件高温单向拉伸测试过程的真实应变。
综上，平台可以对十字形试件进行精准加热控温，精确测量试件应变场并记录板材变形过程中的应变、力值及位移发展历史，为板材在高温下的力学性能表征及成形性能测试提供帮助，且该平台加热设备不受装置结构限制，为试验操作提供便利。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：包括电加热控温系统、拉伸控制系统和应变测量系统，其中：
所述拉伸控制系统包括试验机、双向十字拉伸装置、标尺光栅和力值传感器，所述试验机与双向十字拉伸装置相连，对其施加压力，所述双向十字拉伸装置用于夹持并拉伸待测试件，所述标尺光栅与所述力值传感器用于读取所述试件的拉伸长度和力值；
所述电加热控温系统包括控制器、温度传感器和可调节直流电源，所述可调节直流电源与待测试件连接，能够使试件产生焦耳热，使试件温度升高，所述温度传感器采集所述试件温度，并反馈至所述控制器，所述控制器控制所述可调节直流电源的输出，使温度达到设定值；
所述应变测量系统包括相互连接的测量头和处理器，所述测量头包括用于采集拉伸过程图像的相机、光源，所述光源为激光，所述处理器根据图像获得试件在设定温度下拉伸测试过程的应变值；
所述可调节直流电源通过导线与用于固定试件的夹持部件连接，所述夹持部件包括相对设置的上夹片和下夹片，所述上夹片和下夹片的外侧均与夹头绝缘连接。
2.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：所述上夹片和下夹片上还贯穿设置有导电的接线柱，所述接线柱与所述导线连接。
3.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：所述上夹片和下夹片的端部通过销钉定位。
4.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：所述上夹片和下夹片分别通过绝缘层与所述夹头连接。
5.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：
所述应变测量系统为DIC三维数字散斑应变仪组成，包括可调节的测量头和处理器，所述可调节的测量头还包括支架，所述相机和光源设置于所述支架上，所述支架与所述夹持部件之间距离可调。
6.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：所述控制器采用PID控制方法控制所述可调节直流电源的输出。
7.如权利要求1所述的一种适用于高温条件下的十字双拉综合测试平台，其特征是：所述控制器还连接有显示器和输入模块，显示器显示采集的温度值，输入模块采集可调节直流电源的控制指令。
8.基于权利要求1-7中任一项测试平台的工作方法，其特征是：包括：
利用电加热控温系统构造试件拉伸试验的设定温度的热环境，在此热环境下，试验机对双向十字拉伸装置施加压力，所述双向十字拉伸装置对待测试件进行拉伸，采集整个拉伸过程的图像，以及读取试件的拉伸长度和力值，进而计算得到热拉伸试件的应变场。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：测量前，利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，根据相机幅面参数，调节所述测量头与试件之间的测量距离，校正相机十字中心线，保证测量图像的对准。
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