CN111812023A - 基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，通过在试样几何中心加工圆形内孔，改变板料单向拉伸过程的应力分布并获取平板试样在不同应力状态下的抗皱性能。试样可采用长条形、方形和圆形。具体包括以下步骤：（1）确定试样外形与尺寸；（2）利用数值模拟分析试样单向拉伸的变形，根据应力分布与起皱高度h，确定内孔直径d；（3）按外形和尺寸加工试样；（4）在万能试验机上以恒定速度v进行拉伸；（5）检测并记录试样的起皱量H。本发明通过调节内孔尺寸，可在较大的应变量的范围下分析板料的抗皱性能，得到更接近实际情况的起皱特征，无需专用夹具和装置，简单易行、重复性高。

Description

基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法

技术领域

本发明涉及金属板料起皱性能测试方法，尤其涉及一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法。

背景技术

板料冲压是应用极其广泛的薄壁件生产方法，破裂和起皱则是板料冲压生产中最容易出现的两类缺陷。基于这两类缺陷来评价板料的成形性能，从而为冲压工艺与模具设计提供参考，是一项重要的基础性工作。目前针对板料的破裂问题已有大量研究，建立了多种板料成形过程变薄和开裂的测量与评价方法，例如GB/T24171.2-2009和ISO12004-2：2008规定了采用FLD（成形极限图）的板料破裂性能检测方法，GB/T15825.6-2008规定了采用“锥杯试验”测量金属薄板成形性能的具体方法。

在板料起皱性能的测试方面，目前主要采用日本学者吉田清太（Yoshida K.）于1980年提出的“方板对角拉伸方法(Yoshida buckling test，YBT)”【Yoshida, K. Purposeand Feature of Yoshida Buckling Test. Journal of the Japan Society forTechnology of Plasticity, 1983, 24(272): 901-908】。吉田根据对冲压件的观察以及矩形板非均匀拉伸起皱的分析，认为二者在起皱方面有相似性，因此可用后者来模拟实际冲压成形中的某些压缩失稳。目前，YBT的具体方法有两种：

（1）方板单轴对角拉伸（YBT-1）

将方板坯料的两个对角按规定尺寸分别夹持在拉伸试验机的夹头上，然后从对角线方向进行单向拉伸。由于板料内部不均匀的应力引起附加压力，板料中部出现起皱。因此，可用起皱高度表示板材抵抗不均匀拉力起皱的能力，起皱高度越小，板材抗起皱能力越强。

YBT-1简单、方便，能在一定程度上评估板料在不均匀拉伸下抵抗因压缩失稳而起皱的能力，因此成为起皱试验的代表方法。

（2）方板双轴向对角拉伸（YBT-2）

实际板料冲压过程一般是复杂的平面应力状态，而单向拉伸的YBT-1能够得到的应力状态十分有限，难以用来评价板料在复杂平面应力状态下抵抗起皱的能力【J Cao, S HCheng, H P Wang, et al. Buckling of Sheet Metals in Contact with ToolSurfaces. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2007, 56(1): 253-256】。为能够分析板料处于复杂应力状态下抵抗起皱变形的能力，人们又提出了双向加载的YBT-2方法。但YBT-2需要专用的试验装置或设备才能实现两向载荷的施加，应用受到很大限制。文献【杨杰文.薄板双向受压失稳的研究，湖南大学硕士学位论文，2012】提出类十字件的双轴压缩试验来研究冲压件处于双向压应力状态下冲压材料的抗皱性能，并设计了类十字件双轴压缩试验专用夹具。这种方法同样需要复杂的专用夹具，而且由于实验条件的限制，两个方向的加载（压力）也难以保证相互匹配，实验精度有限。此外，人们也提出了另外一些方法，以测试板料在复杂应力状态下的起皱现象。其中，文献【E. Bayraktar, N. Isac, G.Arnold. Buckling limit diagrams (BLDs) of interstitial free steels (IFS):Comparison of experimental and finite element analysis. Journal of MaterialsProcessing Technology 164–165 (2005) 1487–1494】采用了圆形试样进行单向拉伸。由于试样几何形状仅为简单的圆片，能够得到的应力状态有限，也不能很好地比较不同板料在复杂应力作用下的起皱特性；文献【Han, F., Liewald, M. A new method to enhancethe accuracy of the buckling test using modified Yoshida sample [C]. AdvancedMaterials Research, 2014,1018: 199-206】基于YBT-1提出改变试样外形的过渡圆角等，从而得到不同应力分布的方法。但试样圆角的改变程度有限，对应力状态的改变很小。

总体上，现有板料起皱特性测试方法在与实际板料成形状态的可比性、操作便捷性等方面均存在不足，有必要开发能够简单、方便和可靠地测试与分析板料在不同应力状态下的起皱现象的新方法。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，可以方便地评估板料在复杂平面应力状态下的起皱性能。

本发明方法的原理是：板料冲压成形过程的受力通常假设为在板平面内X、Y方向的两向平面应力状态；不同形状的制件在冲压时，平面应力状态在X、Y两个方向的应力分量组成是不同的；单向拉伸是最容易实施的力学性能测试方法，但规则形状的平板试样在单向拉伸时，内部平面应力是比较单一的模式，也就是X、Y两个方向上的应力分量的比例关系相对固定，因此不能很好地评估实际冲压过程中各种复杂平面应力状态下的起皱行为。本发明通过在平板试样的几何中心位置加工不同大小的圆形内孔，从而改变平板试样单向拉伸时板平面内的应力分布，也即改变X、Y两个方向的应力分量比例，从而可以评估板料在复杂应力状态下的抗皱性能。

本发明的平板试样的外形可采用长条形、方形和圆形的形式；为具有可比性且便于加工，所述圆形内孔位于平板试样的几何中心。容易理解，对于材料、厚度、外形与尺寸均相同的平板试样，不同直径大小的圆形内孔会在单向拉伸过程引起不同大小和方向的非均匀应力，且内孔直径越大，对应力状态的改变越大。

具体而言，当平板试样为长条形时，如果没有内孔，单向拉伸时试样内部仅有沿拉伸方向Y向的拉应力，且Y方向拉应力在横向X向为均匀分布，因此不会产生横向的诱导压应力，X向应力接近于零，试样断裂前不会出现起皱；如果内孔很小，由于此时内孔对应力状态的影响较小，试样断裂前仍然不会出现起皱；随着内孔直径增大，试样Y向拉应力在X向的非均匀程度增大，从而产生较大的X向压应力，导致试样出现明显起皱。

当平板试样为方形时，相当于采用YBT-1的拉伸试验条件，此时无内孔的试样也将由于横向X向的诱导压应力而产生起皱。如果试样中间部位存在内孔，应力状态也将随之发生改变，即X、Y两个方向上的应力分量的比例关系发生改变；进一步的，通过改变内孔的直径大小，可以调整试样拉伸时的内部应力状态。

当平板试样为没有内孔的圆形时，与方形平板试样的情况类似，单向拉伸时试样内部拉伸方向Y向的拉应力在横向X向为非均匀分布，从而在X向产生诱导压应力，使平板试样出现起皱。类似的，通过在板中心位置加工不同直径大小的内孔，可以进一步调整试样拉伸过程在X、Y两个方向应力分量的比例大小。

一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，包括以下步骤：

（1）试样选择：试样为长条形、方形或圆形；试样拉伸方向的总长度L取100 mm ~300mm，与拉伸方向垂直的试样横向尺寸W取30 mm ~100 mm；厚度在0.1 mm ~2 mm之间；

（2）试样中心圆形内孔直径d的确定：

利用有限元数值模拟方法分析试样单向拉伸过程的变形，获取试样内部的应力分布与起皱状态；将起皱部位偏离试样拉伸平面的最大高度作为评价起皱程度的定量指标，即起皱高度h；根据应力的非均匀分布状态与起皱高度h，确定d的具体数据；由于d越大，对应力状态的改变越大，因此可根据模拟得到的起皱情况，选择合适的d；具体为：

若试样拉伸的相对伸长量：δ/L≥10%时试样出现明显起皱，说明Y向拉应力在X横向产生的诱导压应力合适，此时试样的内孔直径即为可以采用的内孔尺寸；

式中：δ—试样在拉伸方向（Y向）的拉伸位移； 单位：mm

L—试样总长度；单位：mm

δ/L—试样拉伸的相对伸长量；单位：%

（3）确定d以后，根据对拉伸过程的数值模拟，记录试样出现明显起皱的拉伸位移δ，该δ为物理实验采用的数据；

（4）按步骤（1）确定的外形、尺寸和步骤（2）的数值模拟确定的内孔直径d加工出试样，所述内孔位于平板试样的几何中心；

（5）将试样两端分别夹持于万能试验机的上、下夹具上，以恒定速度v进行单向拉伸，达到步骤（2）中试样出现明显起皱的拉伸位移δ后，停止实验并取下试样；

（6）将产生起皱的试样平放于桌面，检测并记录试样起皱部位最高点距离桌面的高度，作为试样单向拉伸测试的起皱量H。

上述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，所述步骤（2）中内孔位于试样的几何中心位置；内孔直径d的初始值在φ5～φ50 mm之间选取，优先选择φ20mm以下的尺寸；

步骤（2）、（3）、（5）中所述的明显起皱是指h/L>0.1；

式中：h—起皱高度;单位：mm

L—试样总长度；单位：mm

上述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，所述步骤（2）中，若试样拉伸的相对伸长量δ/L大于20%后，h/L<0.01，说明Y向拉应力在横向X产生的诱导压应力较小，需要增大d，重新进行数值模拟；

若试样拉伸的相对伸长量δ/L达到10%前，已出现明显起皱，即h/L>0.1，说明Y向拉应力在横向X向产生的诱导压应力较大，则减小d，重新进行数值模拟。

上述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，当试样选择为方形或圆形时，试样拉伸方向的总长度L与拉伸方向垂直的试样横向尺寸W相等；所述步骤（4）中，要求试样表面光洁，无划痕和其他影响力学性能的缺陷；所述步骤（5）中恒定速度的取值范围参照国家标准《金属材料 拉伸试验：室温试验方法 GB/T 228.1-2010》；

上述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，如果物理实验中单向拉伸达到拉伸位移δ时，试样的起皱量H/L<0.05，则加大内孔直径d，增大轴向拉伸位移δ，重新进行拉伸试验，直至H/L介于0.05～0.1时完成测试。

上述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，所述其他影响力学性能的缺陷包括明显的表面划痕、凹坑、边缘毛刺和裂纹。

容易理解，试样测试得到的起皱量H越大，说明其抗皱性能越低；因此，根据实验测试得到的试样的起皱量H，可以比较不同试样的抗起皱能力。

试样单向拉伸时，试样平面内在拉伸方向（Y向）受的力为拉应力；理论上，该拉应力在试样平面的横向（X向）产生的诱导应力包括拉应力和压应力两种类型，其中引起板料起皱的是横向（X向）的压应力。

本发明的有益效果为：

本发明通过在单向拉伸试样中增加不同尺寸的圆形内孔，可以改变试样单向拉伸时的应力状态，从而能够实现复杂应力作用下的板料起皱性能测试，根据实验测试得到的试样的起皱量H，可以比较不同试样的抗起皱能力，在更接近实际冲压的受力状态下研究板料的起皱性能。本发明无需专用夹具和装置、简单易行，可满足科研及工程领域低成本、高效率和高精度的板料起皱失稳测试需求。

附图说明

图1为本发明实施例中，模拟得到的无内孔试样出现肉眼可见起皱时刻的X横向应力分布；

图2为本发明实施例中，模拟得到的内孔直径为10mm时试样出现肉眼可见起皱时刻的X横向应力分布；

图3为本发明实施例中，模拟得到的内孔直径为20mm时试样出现肉眼可见起皱时刻的X横向应力分布；

图4为本发明实施例中，将X横向应力的大小范围统一以后，无内孔方板试样起皱时刻的X横向应力分布对比图；

图5为本发明实施例中，将X横向应力的大小范围统一以后，内孔直径为10mm的方板试样起皱时刻的X横向应力分布对比图；

图6为本发明实施例中，将X横向应力的大小范围统一以后，内孔直径为20mm的方板试样起皱时刻的X横向应力分布对比图；

图7为本发明实施例中，模拟得到的无内孔方板试样在拉伸位移δ为5mm时起皱的截面形状对比图；

图8为本发明实施例中，模拟得到的内孔直径为10mm试样在拉伸位移δ为5mm时起皱的截面形状对比图；

图9为本发明实施例中，模拟得到的内孔直径为20mm试样在拉伸位移δ为5mm时起皱的截面形状对比图；

图10为本发明实施例中，模拟得到的无内孔、内孔直径为10mm、内孔直径为20mm三种试样在拉伸位移δ为5mm时的起皱高度h对比图。

具体实施方式

以下结合方板试样实施例对本发明做进一步详细说明。

试样材料为厚度0.8mm的Al6061铝合金板，屈服强度为188 MPa，弹性模量为68900Mpa，泊松比为0.4。

本发明的基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，具体步骤如下：

（1）方板试样的边长尺寸L为100mm；

（2）确定试样几何中心位置的圆形内孔直径d：

利用有限元数值模拟方法，分析试样单向拉伸过程的变形，获取试样内部的应力分布与起皱状态；根据图1-3模拟得到的试样出现肉眼可见起皱时刻的X横向压应力S₁₁分布，可以看出，与未开孔的方板单向拉伸比较，开φ10mm和φ20mm孔的方板的S₁₁发生了改变，表现为S₁₁在孔两侧出现非均匀增加，且孔径越大、局部S₁₁越大。图4~6将S₁₁数值限定在统一的范围，以便更明显地对比不同内孔尺寸的试样在拉伸时X横向压应力S₁₁，由图4~6可知，未开孔方板中间区域的S₁₁较小，且分布更均匀；方板中心开圆孔后，面内应力状态发生改变，且孔径越大、局部S₁₁越大。

结合图7~10可知，在拉伸位移δ为5mm时，未开孔方板在X-Y平面垂直方向的起皱高度h为3.74 mm（h/L≈0.04），开φ10圆孔的方板起皱高度h为9.3 mm（h/L≈0.09），开φ20圆孔的方板起皱高度h为13.52 mm（h/L≈0.14）。因此，圆孔改变了方板试样单向拉伸时的应力状态，使得带孔方板试样的起皱高度均高于未开孔试样的起皱高度。

根据模拟结果，对于本实施例，金属板料试样拉伸方向的长度为100 mm，圆孔直径取φ20 mm，拉伸位移δ取5mm；

（3）按步骤（1）确定的外形、尺寸和根据步骤（2）的数值模拟确定的内孔直径d加工出试样。本例中，确定的内孔直径d=φ20 mm；

（4）将试样的两个对角线分别固定于万能试验机的上、下夹具上，夹持长度为40mm，一端固定不动，另一端以恒定速度0.05mm/s进行单向拉伸（加载时间100s），达到拉伸位移δ=5mm后，停止实验并取下试样；

（5）将起皱试样平放于桌面，检测并记录试样起皱部位最高点距离桌面的高度，作为试样单向拉伸测试的起皱量H。

可以理解，如果仅仅改变试样的材料（或厚度），在其他条件（如试样的外形和尺寸、内孔均相同，温度、拉伸速度相同）不变的情况下，试样经历相同拉伸位移δ后，出现较大起皱量H的试样对应的材料（或厚度）所具有的抗起皱能力更低。因此，利用本发明可以比较复杂应力状态中不同类型材料与成形条件下的抗起皱能力。

需要说明，实际冲压时的平面应力分布是非常复杂的，根据零件形状的不同，有成千上万种可能性，因此也不可能存在一种试验方法可以完全对应各种冲压过程的应力分布。本发明相对于传统YBT方法而言，提供了更多种类的应力状态分布情况，而且不需要繁琐的侧向加载。

本发明未详细说明部分，属于本领域技术人员的公知常识。

以上所述为实施例，并不对本发明形成限制，凡是在本发明的原则内所进行的任何修改、同等替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）试样选择：试样为长条形、方形或圆形；试样拉伸方向的总长度L取100 mm ~300mm，与拉伸方向垂直的试样横向尺寸W取30 mm ~100 mm；厚度在0.1 mm ~2 mm之间；

（2）试样中心圆形内孔直径d的确定：

利用有限元数值模拟方法分析试样单向拉伸过程的变形，获取试样内部的应力分布与起皱状态；将起皱部位偏离试样拉伸平面的最大高度作为评价起皱程度的定量指标，即起皱高度h；根据应力的非均匀分布状态与起皱高度h，确定d的具体数据；具体为：

若δ/L≥10%时试样出现明显起皱，说明Y向拉应力在X横向产生的诱导压应力合适，此时试样的内孔直径即为可以采用的内孔尺寸；

式中：δ—试样在Y拉伸方向的拉伸位移； 单位：mm

L—试样总长度；单位：mm

δ/L—试样拉伸的相对伸长量；单位：%

（3）根据对拉伸过程的数值模拟，记录试样出现明显起皱的拉伸位移δ，该δ为物理实验采用的数据；

（4）按步骤（1）确定的外形、尺寸和步骤（2）的数值模拟确定的内孔直径d加工出试样；

（5）将试样两端分别夹持于万能试验机的上、下夹具上，以恒定速度v进行单向拉伸物理实验，达到步骤（2）中试样出现明显起皱的拉伸位移δ后，停止实验并取下试样；

（6）将产生起皱的试样平放于桌面，检测并记录试样起皱部位最高点距离桌面的高度，作为试样单向拉伸测试的起皱量H。

2.如权利要求1所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：所述步骤（2）中内孔位于试样的几何中心；内孔直径d的初始值在φ5～φ50 mm之间选取;

步骤（2）、（3）、（5）中所述的明显起皱是指h/L>0.1；

式中：h—起皱高度;单位：mm

L—试样总长度；单位：mm。

3.如权利要求1所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：所述步骤（2）中，若试样拉伸的相对伸长量δ/L大于20%后，h/L<0.01，说明Y向拉应力在横向X产生的诱导压应力较小，需要增大d，重新进行数值模拟；

若试样拉伸的相对伸长量δ/L达到10%前，已出现明显起皱，即h/L>0.1，说明Y向拉应力在横向X向产生的诱导压应力较大，则减小d，重新进行数值模拟。

4.如权利要求1所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：当试样选择为方形或圆形时，试样拉伸方向的总长度L与拉伸方向垂直的试样横向尺寸W相等；所述步骤（4）中，要求试样表面光洁，无划痕和其他影响力学性能的缺陷；所述步骤（5）中恒定速度的取值范围参照国家标准《金属材料 拉伸试验：室温试验方法 GB/T228.1-2010》。

5.如权利要求1所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：所述步骤（5）中，如果物理实验单向拉伸达到拉伸位移δ时，试样的起皱量H /L<0.05，则加大内孔直径d，增大轴向拉伸位移δ，重新进行拉伸试验，直至H/L介于0.05～0.1时完成测试。

6.如权利要求4所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：所述其他影响力学性能的缺陷包括明显的表面划痕、凹坑、边缘毛刺和裂纹。

7.如权利要求1或2所述的一种基于带孔试样单向拉伸的板料起皱性能测试方法，其特征在于：所述试样内孔直径d的初始值≤20mm。

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