CN114544348B - 平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法 - Google Patents

平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法，属于先进设备制造技术领域，本发明要解决的技术问题为现有平面应变拉伸实验方法(缺口试样拉伸实验和V形弯曲实验)无法保证变形过程保持平面应变状态、且无法直接获取断裂应变，采用的技术方案为：拉伸试样，采用圆形金属板，圆形金属板的中心线上开设有两对称设置的圆形孔，两圆形孔之间的区域为变形区域。断裂应变测试装置，包括两平行设置的上模固定板和下模固定板，上模固定板与下模固定板之间设置有至少两个导柱，导柱与下模固定板滑动配合；上模固定板靠近下模固定板的中心处设置有凹模，下模固定板靠近上模固定板的一侧处设置有压边圈，凹模与压边圈相配合。

Description

平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法
技术领域
本发明涉及先进设备制造技术领域，具体地说是一种平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法。
背景技术
汽车轻量化在节能减排、保护环境方面有着重要的作用，采用先进高强钢材料替代传统的钢材是实现汽车轻量化最显著最重要的措施。先进高强度钢在实现减重的同时，仍具有较高强度和较好塑性，得到了广泛的应用。从成形极限图(FLD)来看，单轴拉伸和等双轴拉伸之间存在塑性较低的平面应变。随着应力三轴度增大，大多数金属材料的塑性降低。应力三轴度从η＝1/3(单轴拉伸)增大到应力三轴度约为0.58(平面应变)塑性达到最小值。当进一步增加应力三轴度时，塑性通常再次增加，直到应力三轴度达η＝2/3(等向双轴拉伸)。平面应变状态在许多汽车零部件成形和汽车碰撞中的边缘开裂等问题起着关键作用，影响到材料的成形极限，如何准确获得平面应变状态下材料的断裂具有重要意义。
现有平面应变下断裂应变的测试方法通常包括缺口试样拉伸实验和V形弯曲实验，缺口试样通过万能试验机完成实验，V形弯曲实验则需要带有两个轧辊和半圆弧型接触面冲头的模具。缺口试样拉伸实验的缺点是非比例加载路径、断裂应变出现在试样芯部需要采用混合实验数值方法来计算断裂应变，无法直接通过实验方式来获得断裂应变。缺口试样的缺口半径减小，变形区的应变状态越接近理想平面应变状态，但是远离试样中心处容易导致过早断裂的风险。V形弯曲实验通常采用一块矩形试样在比例加载条件下完成，实验过程中显示出较高的主次应变比(比值大于20)，并且沿试样宽度方向80％以上区域发生显著的均匀平面应变状态。但是由于V形弯曲实验几何约束的限制，导致其最大断裂应变值受限制，对于薄板材和高韧性材料不易在实验中观测到局部变形状态，因此无法通过实验方法直接获得断裂应变。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法，来解决现有平面应变拉伸实验方法(缺口试样拉伸实验和V形弯曲实验)无法保证变形过程保持平面应变状态、且无法直接获取断裂应变的问题。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种平面应变状态的拉伸试样，该拉伸试样采用圆形金属板，圆形金属板的中心线上开设有两对称设置的圆形孔，两圆形孔之间的区域为变形区域。
作为优选，圆形孔的直径为圆形金属板直径的4/25；两圆形孔圆心之间的距离为圆形金属板直径的9/25；
拉伸试样的表面粗糙度满足Ra3.2要求；圆形孔采用一线切割加工技术、激光切割加工技术、钻孔加工技术中的一种。
一种平面应变状态的断裂应变测试装置，该装置包括两平行设置的上模固定板和下模固定板，上模固定板利用通孔与成形试验机螺栓连接，上模固定板与下模固定板之间设置有至少两个导柱，导柱上端与上模板固定连接诶，导柱下端与下模固定板滑动配合；上模固定板靠近下模固定板的中心处设置有凹模，下模固定板靠近上模固定板的一侧处设置有压边圈，凹模与压边圈相配合；压边圈上侧面处设置有上述的平面应变状态的拉伸试样；下模固定板上设置有冲头机构，冲头机构与成形试验机连接。
作为优选，所述冲头机构包括双动冲头一、双动冲头二和二面体冲头，压边圈中心位置处设置有压边圈中心孔，下模固定板的中心位置处开设有下模中心孔，双动冲头二的底部中心位置开设有双动冲头中心螺纹孔，下模中心孔上侧与压边圈卡接配合，下模中心孔下侧与双动冲头一卡接配合，双动冲头一的中心位置设置有冲头中心孔，双动冲头二和二面体冲头设置在冲头中心孔内，双动冲头中心螺纹孔与成形试验机螺栓配合，二面体冲头的冲头端延伸至压边圈中心孔内，二面体冲头的冲头端位于拉伸试样的下侧面处，二面体冲头的基体端与双动冲头二相连接。
更优地，所述凹模下端面处设置有凸台，压边圈上侧面设置有凹槽，凹槽位于压边圈中心孔的外侧，凸台与凹槽卡接配合将拉伸试样压实；
其中，凸台的倾斜角度为35～45°；凹槽的宽度为5～6mm，深度为3～4mm。
更优地，所述二面体冲头包括从上至下依次设置的圆柱形底座部、圆柱形台阶部及圆柱形冲头部，圆柱形底座部与双动冲头二相连接，圆柱形台阶部位于圆柱形底座部的上方且圆柱形台阶部的直径大于圆柱形底座部的直径，圆柱形冲头部的下端与圆柱形台阶部相连接，圆柱形台阶部的直径大于圆柱形冲头部的直径；圆柱形冲头部的上端设置有锥体冲头部，锥体冲头部的上端面设置有半圆弧形接触面；
其中，锥体冲头部的锥度为30°，半圆弧形接触面的半径为1mm。
一种平面应变状态的断裂应变测试方法，该方法具体如下：
S1、制备如上述的平面应变状态的拉伸试样；
S2、对拉伸试样进行预处理；
S3、通过上述的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验；
S4、采用数值模拟软件进行仿真分析，输出数值计算的载荷-位移曲线并和实验获取的载荷-位移曲线对比，验证数值模拟结果的准确性；
S5、通过三维数字散斑动态应变测量系统提取拉伸试样中心的主次应变数据，在数值模拟结果中提取对应点的主次应变数据；将实验和数值模拟结果中该点的应变路径和理想情况平面应变状态的应变路径对比，若发现实验和数值模拟的应变路径都与理想情况下平面应变状态应变路径重合，证明所提出的平面应变试样满足实验要求；
S6、根据三维数字散斑动态应变测量系统记录的试样变形过程中的图片，提取拉伸试样断裂前一帧的等效应变云图与数值模拟计算得出相同时刻的等效应变云图对比，确定拉伸试样的断裂应变发生在拉伸试样表面；
S7、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度。
作为优选，所述步骤S2中的对拉伸试样进行预处理具体如下：
S201、先用250#砂纸对拉伸试样进行粗磨，使拉伸试样表面粗糙度满足Ra3.2的要求，并使用800#砂纸对拉伸试样断口进行细磨，确保拉伸试样断口无毛刺；
S202、准备黑油漆和白油漆各一瓶，在地面垫上衬垫，将拉伸试样水平放置；
S203、将白油漆罐摇晃均匀后，预先在拉伸试样外喷洒出现雾状，防止出现较大的喷点，与拉伸试样距离保持在25～35cm且倾斜角度为45°，手力均匀使喷出的颗粒细小均匀，从右向左或从左向右在拉伸试样表面往复有序喷洒油漆，个别不够部位可补喷，将白色油漆薄薄的均匀的喷洒在试样的表面；等待3～5分钟，用手指轻触拉伸试样非测试区域的表面(不能直接触摸测试区域)，以不粘手为佳；
S204、将黑油漆罐摇晃均匀后，在拉伸试样外喷洒出现雾状，防止出现较大的喷点，距离拉伸试样35～45cm且从倾斜45°角方向，用双手控制喷嘴按下的力度，使喷雾均匀且具有间隙，缓慢落在拉伸试样表面的测试区域，使拉伸试样的测试区域形成1:1黑白相间随机细密散斑；
S205、喷漆后等待3～5分钟，散斑制作完成；
所述步骤S3中的通过上述的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验具体如下：
S301、将上述的平面应变状态的断裂应变测试装置安装在板材成型试验机上；
S302、将预处理后的拉伸试样放置在压边圈上，上述的平面应变状态的断裂应变测试装置闭合后，对压边圈施加预设的压边力；
S303、二面体冲头按照设定速度加载完成平面应变状态拉伸-弯曲实验，并通过板材成型试验机中的力值传感器和位移传感器记录实验过程中二面体冲头的力值数据和位移数据；其中，二面体冲头的工作过程具体如下：
S30301、双动冲头一推动下模固定板和压边圈沿着导柱竖直向上运动；
S30302、当压边圈和凹模相接触并达到相应设置的压边力后，双动冲头一保持位置不变；
S30303、双动冲头二推动二面体冲头按设定的位移速度向上运动直至实验结束。
S304、当二面体冲头移动接触到拉伸试样时，收集力值数据的同时使用三维数字散斑动态应变测量系统对平面应变试样的变形区域按照设定的采集频率进行照片拍摄，记录整个实验过程，包括散斑的位置变化。
作为优选，所述步骤S4中的数值模拟具体如下：
S401、使用ABAQUS软件建立简化模型，凹模、压边圈及二面体冲头设置为解析刚体，拉伸试样网格采用C3D8R单元类型进行离散，拉伸试样在全厚度方向划分4层单元；变形区域采用精细的网格划分，非关键区域和非变形区域采用粗网格划分，通过过渡网格划分处理手段提高计算效率；同时，对拉伸试样赋予密度、弹性模量、泊松比及塑性数据的材料属性参数数据；
S402、简化模型模拟过程中采用统一的质量缩放系数:1E+008,质量缩放系数用于抵消简化模型的动能与内能之比；实验时，在二面体冲头采用凡士林膏体进行充分润滑，数值模拟中二面体冲头与拉伸试样接触面摩擦系数设置为0.05，拉延筋对拉伸试样进行弯曲反弯曲及凹模和压边圈之间的摩擦力实现对拉伸试样的约束，对应区域的接触摩擦系数设置为0.2；
S403、根据实验需求，对简化模型进行相应的边界条件及载荷设置；
S404、通过ABAQUS软件Explicit模块完成拉伸-弯曲的数值模拟计算处理得到其计算结果。
更优地，所述步骤S7中的计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度具体如下：
S701、从数值模拟计算结果中提取试样中心点应力三轴度及等效应变；
S702、绘制等效应变-应力三轴度关系曲线；
S703、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度ηavg，公式如下：
其中，ηavg为归一化的应力三轴度，为等效应变的函数，/>为断裂时试样中心处应变。
本发明的平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法具有以下优点：
(一)本发明解决了现有平面应变拉伸实验方法(缺口试样拉伸实验和V形弯曲实验)无法保证变形过程保持平面应变状态、且无法直接获取断裂应变的问题，并通过数值模拟方法是验证本发明的有效性；
(二)本发明保持V型弯曲实验的优势，即整个实验过程可以实时观察到比例加载路径，同时克服其主要缺点，即最大可实现断裂应变受到几何约束和材料的限制，无法适用于薄板和高韧性板材；同时，本发明可直接从实验中获取到断裂应变，而不需要通过混合实验数值法计算而得；
(三)本发明通过三种不同方式加工平面应变试样，获得三种情况下试样的断裂应变，验证了其适用性；
(四)本发明设计的平面应变拉伸试样，其变形区域在实验过程中更接近等比例加载的平面应变，适用于薄板材和厚板材，也适用于低塑性和高塑性板材；
(五)本发明中的数值模拟仅是用来证明断裂处的应变状态满足平面应变要求，且最大应变发生在试样弯曲外表面，数值模拟不影响实验测试结果，在实际应用中只采用实验方法即可获得平面应变状态下的断裂应变；
(六)本发明通过设计一断裂应变测试装置，通过板材成形试验机直接进行拉伸-弯曲实验，操作简单方便。
本发明具有设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为平面应变状态的拉伸试样的结构示意图；
附图2为拉伸试样安装在平面应变状态的断裂应变测试装置的结构示意图；
附图3为平面应变状态的断裂应变测试装置的结构示意图；
附图4为平面应变状态的断裂应变测试装置的的俯视图；
附图5为附图4中A-A线的剖视图；
附图6为压边圈的结构示意图；
附图7为凹模的结构示意图；
附图8为凹模与压边圈接触闭合将拉伸试样压实的示意图；
附图9为附图8中B处的局部放大图；
附图10为二面体冲头的结构示意图；
附图11为数值模拟中简化模型装配示意图；
附图12为数值模拟中拉伸试样网格划分示意图；
附图13为拉伸试样实验和模拟计算载荷-位移曲线示意图；
附图14为数值模拟中拉伸试样变形区域表面、中截面等效应变模拟计算值分布示意图；
附图15为实验中三种不同加工方式拉伸试样变形区域表面等效应变实验值分布示意图；
附图16为拉伸试样的数值模拟、实验及理想应变路径示意图；
附图17为拉伸试样的应力三轴度示意图；
附图18为数值模拟中拉伸试样变形区域应力三轴度模拟计算值分布示意图。
图中：1、圆形金属板，2、圆形孔，3、上模固定板，4、下模固定板，5、导柱，6、凹模，7、压边圈，8、双动冲头一，9、双动冲头二，10、二面体冲头，10-1、圆柱形底座部，10-2、圆柱形台阶部，10-3、圆柱形冲头部，10-4、锥体冲头部，10-5、半圆弧形接触面，11、压边圈中心孔，12、下模中心孔，13、冲头中心孔，14、凸台，15、凹槽，16、拉伸试样，17、双动冲头中心螺纹孔，18，通孔。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的平面应变状态的拉伸试样、断裂应变测试装置及方法作以下详细地说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述。而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如附图1所示，本实施例的平面应变状态的拉伸试样，该拉伸试样采用圆形金属板1，圆形金属板1的中心线上开设有两对称设置的圆形孔2，两圆形孔2之间的区域为变形区域。圆形孔2的直径为圆形金属板1直径的4/25；两圆形孔2圆心之间的距离为圆形金属板1直径的9/25；拉伸试样16的表面粗糙度满足Ra3.2要求；圆形孔2采用一线切割加工技术、激光切割加工技术、钻孔加工技术中的一种。
本实施例中的圆形金属板1直径为100mm，两圆形孔2的圆心之间的距离为36mm，圆形孔2的直径为16mm。通过数值模拟优化计算得出直径为16mm相距36mm的两圆形孔2能够较好的使变形区域达到理想的平面应变状态。
实施例2：
如附图2和3所示，本实施例的平面应变状态的断裂应变测试装置，该装置包括两平行设置的上模固定板3和下模固定板4，上模固定板3利用通孔18与成形试验机螺栓连接，上模固定板3与下模固定板4之间安装有两个导柱5，导柱5与下模固定板4滑动配合；上模固定板3靠近下模固定板4的中心处安装有凹模6，下模固定板4靠近上模固定板3的一侧处安装有压边圈7，凹模6与压边圈7相配合；压边圈7上侧面处安装有实施例1中的平面应变状态的拉伸试样16；下模固定板4上安装有冲头机构，冲头机构与成形试验机连接。
如附图4和5所示，本实施例中的冲头机构包括双动冲头一8、双动冲头二9和二面体冲头10，压边圈7中心位置处开设有压边圈中心孔11，下模固定板4的中心位置处开设有下模中心孔12，双动冲头二9的底部中心位置开设有双动冲头中心螺纹孔17，下模中心孔12上侧与压边圈7卡接配合，下模中心孔12下侧与双动冲头一8卡接配合，双动冲头一8的中心位置开设有冲头中心孔13，双动冲头二9和二面体冲头10安装在冲头中心孔13内，双动冲头中心螺纹孔17与成形试验机螺栓配合，二面体冲头10的冲头端延伸至压边圈中心孔11内，二面体冲头10的冲头端位于拉伸试样16的下侧面处，二面体冲头10的基体端与双动冲头二9相连接，二面体冲头10和双动冲头二9穿过下模中心孔12。
如附图6和7所示，本实施例中的凹模6下端面处设有凸台14，压边圈7上侧面开设有凹槽15，凹槽15位于压边圈中心孔11的外侧，凸台14与凹槽15卡接配合将拉伸试样16压实，如附图8和9所示；其中，凸台14的倾斜角度为35～45°；凹槽15的宽度为5～6mm，深度为3～4mm。
如附图10所示，本实施例中的二面体冲头10包括从上至下依次设置的圆柱形底座部10-1、圆柱形台阶部10-2及圆柱形冲头部10-3，圆柱形底座部10-1与双动冲头二9相连接，圆柱形台阶部10-2位于圆柱形底座部10-1的上方且圆柱形台阶部10-2的直径大于圆柱形底座部10-1的直径，圆柱形冲头部10-3的下端与圆柱形台阶部10-2相连接，圆柱形台阶部10-2的直径大于圆柱形冲头部10-3的直径；圆柱形冲头部10-3的上端设有锥体冲头部10-4，锥体冲头部10-4的上端面设置有半圆弧形接触面10-5；锥体冲头部10-4的锥度为30°，直径为26mm；半圆弧形接触面10-5的半径为1mm，采用带有半圆弧形接触面10-5是为了保证实验是在平面应变的状态下进行的，通过数值模拟优化计算上百次得出半圆弧形接触面10-5的半径为1mm可以使实验达到较为理想的平面应变状态。圆柱形底座部10-1的直径为45.2mm，高度为10mm；圆柱形台阶部10-2的直径为60mm高度为12mm的，圆柱形台阶部10-2及圆柱形底座部10-1和双动冲头二9装配在一起便于更换二面体冲头。
本实施例的工作过程具体如下：
(1)、双动冲头一8以成形试验机默认的0.5mm/s的位移速度带动下模固定板4及压边圈7沿着导柱5竖直向上运动；
(2)、当压边圈7和凹模6接触闭合后，双动冲头一8继续推动使压边圈7获得所设的压边力100～120KN后，双动冲头一8位置保持不变；
(3)、双动冲头二9带动二面体冲头10按设定的位移速度0.1mm～0.3mm/s向上运动对拉伸施加力使其变形直至拉伸试样16破裂。
实施例3：
本实施例的平面应变状态的断裂应变测试方法，该方法具体如下：
S1、制备如实施例1中的的平面应变状态的拉伸试样16；
S2、对拉伸试样16进行预处理；
S3、通过实施例2中的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验；
S4、采用数值模拟软件进行仿真分析，输出数值计算的载荷-位移曲线并和实验获取的载荷-位移曲线对比，验证数值模拟结果的准确性；如附图13所示，三种加工方式(线切割、激光切割、钻孔)下实验的载荷位移数据几乎重合结果表明加工方式对实验的影响较小，实验和数值模拟的结果吻合度满意，证明了数值模拟软件对平面应变试样塑性变形预测的准确度较高。
S5、通过三维数字散斑动态应变测量系统提取拉伸试样中心的主次应变数据，在数值模拟结果中提取对应点的主次应变数据；将实验和数值模拟结果中该点的应变路径和理想情况平面应变状态的应变路径对比，如附图16所示，发现实验和数值模拟的应变路径都与理想情况下平面应变状态应变路径重合效果满意的结论，证明所提出的平面应变试样满足设计要求；
S6、根据三维数字散斑动态应变测量系统记录的试样变形过程中的图片，提取拉伸试样断裂前一帧的等效应变云图与数值模拟计算得出相同时刻的等效应变云图对比，如附图14和15所示，通过数值模拟软件和三维数字散斑动态应变测量系统得出的等效应变云图，证明了数值模拟和实验吻合度较高，确定平面应变试样的断裂应变发生在试样表面，即最大等效应变；
S7、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度。
本实施例中的步骤S2中的对拉伸试样进行预处理具体如下：
S201、先用250#砂纸对拉伸试样进行粗磨，使拉伸试样表面粗糙度满足Ra3.2的要求，并使用800#砂纸对拉伸试样断口进行细磨，确保拉伸试样断口无毛刺；
S202、准备黑油漆和白油漆各一瓶，在地面垫上衬垫，将拉伸试样水平放置；
S203、将白油漆罐摇晃均匀后，预先在拉伸试样外喷洒出现雾状，防止出现较大的喷点，与拉伸试样距离保持在25～35cm且倾斜角度为45°，手力均匀使喷出的颗粒细小均匀，从右向左或从左向右在拉伸试样表面往复有序喷洒油漆，个别不够部位可补喷，将白色油漆薄薄的均匀的喷洒在试样的表面；等待3～5分钟，用手指轻触拉伸试样非测试区域的表面(不能直接触摸测试区域)，以不粘手为佳；
S204、将黑油漆罐摇晃均匀后，在拉伸试样外喷洒出现雾状，防止出现较大的喷点，距离拉伸试样35～45cm且从倾斜45°角方向，用双手控制喷嘴按下的力度，使喷雾均匀且具有间隙，缓慢落在拉伸试样表面的测试区域，使拉伸试样的测试区域形成1:1黑白相间随机细密散斑；
S205、喷漆后等待3～5分钟，散斑制作完成；
本实施例中的步骤S3中的通过实施例2中的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验具体如下：
S301、将实施例2中的平面应变状态的断裂应变测试装置安装在板材成型试验机上；
S302、将预处理后的拉伸试样16放置在压边圈7上，实施例2中的平面应变状态的断裂应变测试装置闭合后，对压边圈7施加预设的压边力；
S303、二面体冲头10按照设定速度加载完成平面应变状态拉伸-弯曲实验，并通过板材成型试验机中的力值传感器和位移传感器记录实验过程中二面体冲头的力值数据和位移数据；其中，二面体冲头10的工作过程具体如下：
S30301、双动冲头一8推动下模固定板4和压边圈7沿着导柱5竖直向上运动；
S30302、当压边圈7和凹模6相接触并达到相应设置的压边力后，双动冲头一8保持位置不变；
S30303、双动冲头二9推动二面体冲头10按设定的位移速度向上运动直至实验结束。
S304、当二面体冲头10移动接触到拉伸试样16时，收集力值数据的同时使用三维数字散斑动态应变测量系统对拉伸试样的变形区域按照设定的采集频率进行照片拍摄，记录整个实验过程，包括散斑的位置变化。
本实施例中的步骤S4中的数值模拟具体如下：
S401、使用ABAQUS软件建立简化模型，如附图11所示，凹模6、压边圈7及二面体冲头10设置为解析刚体，如附图12所示，拉伸试样16网格采用C3D8R单元类型进行离散，拉伸试样在全厚度方向划分4层单元；变形区域采用0.30×0.65×0.30mm精细的网格划分，变形量不大的非关键区域采用较粗的网格划分，尺寸为:1.50×1.40×0.30mm,非变形区域采用粗糙的网格进行划分，尺寸为:6.20×4.45×0.30mm,通过过渡网格划分处理手段提高计算效率。对试样赋予密度、弹性模量、泊松比、塑性数据等材料属性参数数据；
S402、简化模型模拟过程中采用统一的质量缩放系数:1E+008,质量缩放系数用于抵消简化模型的动能与内能之比；实验时，在二面体冲头采用凡士林膏体进行充分润滑，数值模拟中二面体冲头与拉伸试样接触面摩擦系数设置为0.05，拉延筋对拉伸试样进行弯曲反弯曲及凹模和压边圈之间的摩擦力实现对拉伸试样的约束，对应区域的接触摩擦系数设置为0.2；
S403、根据实验需求，对简化模型进行相应的边界条件及载荷设置；其中将凹模6设为完全固定，约束压边圈7六个自由度并在其上施加设定压边力，二面体冲头10约束其五个自由度，保留其在竖直方向上的位移且按设定的速度设置。
S404、通过ABAQUS软件Explicit模块完成拉伸-弯曲的数值模拟计算处理得到其计算结果。
本实施例中的步骤S7中的计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度具体如下：
S701、从数值模拟计算结果中提取试样中心点应力三轴度及等效应变；
S702、绘制等效应变-应力三轴度关系曲线；
S703、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度ηavg，公式如下：
其中，ηavg为归一化的应力三轴度，为等效应变的函数，/>为断裂时试样中心处应变。
如附图17所示，拉伸试样达到断裂时刻，其试样中心点归一化应力三轴度约为0.571，理想下平面应变应力状态下的应力三轴度为如附图18所示，通过数值模拟计算得出平面应变试样变形区域的应力三轴度云图，拉伸试样中心区域应力三轴度的平均值约为/>综上所述，拉伸试样在拉伸-弯曲实验过程中可以达到较为理想平面应变状态。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种平面应变状态的断裂应变测试装置，其特征在于，该装置包括两平行设置的上模固定板和下模固定板，上模固定板利用通孔与成形试验机螺栓连接，上模固定板与下模固定板之间设置有至少两个导柱，导柱与下模固定板滑动配合；上模固定板靠近下模固定板的中心处设置有凹模，下模固定板靠近上模固定板的一侧处设置有压边圈，凹模与压边圈相配合；压边圈上侧面处设置有平面应变状态的拉伸试样；下模固定板上设置有冲头机构，冲头机构与成形试验机连接；其中，冲头机构包括双动冲头一、双动冲头二和二面体冲头，压边圈中心位置处设置有压边圈中心孔，下模固定板的中心位置处开设有下模中心孔，双动冲头二的底部中心位置开设有双动冲头中心螺纹孔，下模中心孔上侧与压边圈卡接配合，下模中心孔下侧与双动冲头一卡接配合，双动冲头一的中心位置设置有冲头中心孔，双动冲头二和二面体冲头设置在冲头中心孔内，双动冲头中心螺纹孔与成形试验机螺栓配合，二面体冲头的冲头端位于拉伸试样的下侧面处，二面体冲头的基体端与双动冲头二相连接。
2.根据权利要求1所述的平面应变状态的断裂应变测试装置，其特征在于，拉伸试样采用圆形金属板，圆形金属板的中心线上开设有两对称设置的圆形孔，两圆形孔之间的区域为变形区域。
3.根据权利要求2所述的平面应变状态的断裂应变测试装置，其特征在于，圆形孔的直径为圆形金属板直径的0.1～0.2；两圆形孔圆心之间的距离为圆形金属板直径的0.25～0.4；
拉伸试样的表面粗糙度满足Ra3.2要求；圆形孔采用一线切割加工技术、激光切割加工技术、钻孔加工技术中的一种。
4.根据权利要求1所述的平面应变状态的断裂应变测试装置，其特征在于，所述凹模下端面处设置有凸台，压边圈上侧面设置有凹槽，凹槽位于压边圈中心孔的外侧，凸台与凹槽卡接配合将拉伸试样压实；
其中，凸台的倾斜角度为35～45°；凹槽的宽度为5～6mm，深度为3～4mm。
5.根据权利要求1所述的平面应变状态的断裂应变测试装置，其特征在于，所述二面体冲头包括从上至下依次设置的圆柱形底座部、圆柱形台阶部及圆柱形冲头部，圆柱形底座部与双动冲头二相连接，圆柱形台阶部位于圆柱形底座部的上方且圆柱形台阶部的直径大于圆柱形底座部的直径，圆柱形冲头部的下端与圆柱形台阶部相连接，圆柱形台阶部的直径大于圆柱形冲头部的直径；圆柱形冲头部的上端设置有锥体冲头部，锥体冲头部的上端面设置有半圆弧形接触面；
其中，锥体冲头部的锥度为30°，半圆弧形接触面的半径为1mm。
6.一种平面应变状态的断裂应变测试方法，其特征在于，该方法具体如下：
S1、制备平面应变状态的拉伸试样；
S2、对拉伸试样进行预处理；
S3、通过权利要求1-5中任一所述的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验；
S4、采用数值模拟软件进行仿真分析，输出数值计算的载荷-位移曲线并和实验获取的载荷-位移曲线对比，验证数值模拟结果的准确性；
S5、通过三维数字散斑动态应变测量系统提取拉伸试样中心的主次应变数据，在数值模拟结果中提取对应点的主次应变数据；将实验和数值模拟结果中该点的应变路径和理想情况平面应变状态的应变路径对比，若发现实验和数值模拟的应变路径都与理想情况下平面应变状态应变路径重合，证明所提出的平面应变试样满足实验要求；
S6、根据三维数字散斑动态应变测量系统记录的试样变形过程中的图片，提取拉伸试样断裂前一帧的等效应变云图与数值模拟计算得出相同时刻的等效应变云图对比，确定拉伸试样的断裂应变发生在拉伸试样表面；
S7、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度。
7.根据权利要求6所述的平面应变状态的断裂应变测试方法，其特征在于，所述步骤S2中的对拉伸试样进行预处理具体如下：
S201、先用250#砂纸对拉伸试样进行粗磨，使拉伸试样表面粗糙度满足Ra3.2的要求，并使用800#砂纸对拉伸试样断口进行细磨，确保拉伸试样断口无毛刺；
S202、准备黑油漆和白油漆各一瓶，在地面垫上衬垫，将拉伸试样水平放置；
S203、将白油漆罐摇晃均匀后，预先在拉伸试样外喷洒出现雾状，与拉伸试样距离保持在25～35cm且倾斜角度为45°，手力均匀使喷出的颗粒细小均匀，从右向左或从左向右在拉伸试样表面往复有序喷洒油漆，将白色油漆均匀的喷洒在试样的表面；等待3～5分钟，用手指轻触拉伸试样非测试区域的表面，以不粘手为佳；
S204、将黑油漆罐摇晃均匀后，在拉伸试样外喷洒出现雾状，距离拉伸试样35～45cm且从倾斜45°角方向，用双手控制喷嘴按下的力度，使喷雾均匀且具有间隙，落在拉伸试样表面的测试区域，使拉伸试样的测试区域形成1:1黑白相间随机细密散斑；
S205、喷漆后等待3～5分钟，散斑制作完成；
所述步骤S3中的通过权利要求1-5中任一所述的平面应变状态的断裂应变测试装置和板材成型试验机完成平面应变状态拉伸-弯曲实验具体如下：
S301、将权利要求1-5中任一所述的平面应变状态的断裂应变测试装置安装在板材成型试验机上；
S302、将预处理后的拉伸试样放置在压边圈上，权利要求1-5中任一所述的平面应变状态的断裂应变测试装置闭合后，对压边圈施加预设的压边力；
S303、二面体冲头按照设定速度加载完成平面应变状态拉伸-弯曲实验，并通过板材成型试验机中的力值传感器和位移传感器记录实验过程中二面体冲头的力值数据和位移数据；其中，二面体冲头的工作过程具体如下：
S30301、双动冲头一推动下模固定板和压边圈沿着导柱竖直向上运动；
S30302、当压边圈和凹模相接触并达到相应设置的压边力后，双动冲头一保持位置不变；
S30303、双动冲头二推动二面体冲头按设定的位移速度向上运动直至实验结束；
S304、当二面体冲头移动接触到拉伸试样时，收集力值数据的同时使用三维数字散斑动态应变测量系统对平面应变试样的变形区域按照设定的采集频率进行照片拍摄，记录整个实验过程，包括散斑的位置变化。
8.根据权利要求6所述的平面应变状态的断裂应变测试方法，其特征在于，所述步骤S4中的数值模拟具体如下：
S401、使用ABAQUS软件建立简化模型，凹模、压边圈及二面体冲头设置为解析刚体，拉伸试样网格采用C3D8R单元类型进行离散，拉伸试样在全厚度方向划分4层单元；变形区域采用精细的网格划分，非关键区域和非变形区域采用粗网格划分；同时，对拉伸试样赋予密度、弹性模量、泊松比及塑性数据的材料属性参数数据；
S402、简化模型模拟过程中采用统一的质量缩放系数:1E+008,质量缩放系数用于抵消简化模型的动能与内能之比；实验时，在二面体冲头采用凡士林膏体进行充分润滑，数值模拟中二面体冲头与拉伸试样接触面摩擦系数设置为0.05，拉延筋对拉伸试样进行弯曲反弯曲及凹模和压边圈之间的摩擦力实现对拉伸试样的约束，对应区域的接触摩擦系数设置为0.2；
S403、根据实验需求，对简化模型进行相应的边界条件及载荷设置；
S404、通过ABAQUS软件Explicit模块完成拉伸-弯曲的数值模拟计算处理得到其计算结果。
9.根据权利要求6-8中任一所述的平面应变状态的断裂应变测试方法，其特征在于，所述步骤S7中的计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度具体如下：
S701、从数值模拟计算结果中提取试样中心点应力三轴度及等效应变；
S702、绘制等效应变-应力三轴度关系曲线；
S703、计算拉伸试样中心处归一化的应力三轴度ηavg，公式如下：
其中，ηavg为归一化的应力三轴度，为等效应变的函数，/>为断裂时试样中心处应变。
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