CN114544390A - 一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样与方法，属于板材制造设备及方法技术领域。本发明的技术方案是：包含厚度0.1‑3 mm的矩形薄板，矩形薄板沿拉伸方向两端的对角位置被分别切除一个矩形区域，剩余矩形区域作为拉伸实验的夹持端。本发明的有益效果是：利用有限元模拟分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形并根据起皱高度确定试样尺寸，将试样中心垂直于板料的面外位移和起皱高度作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标；通过调节试样与夹持端尺寸得到不同剪切应力下的起皱，无需专用模具，简单易行、可重复性高。

Description

一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样与方法
技术领域
本发明涉及一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样与方法，属于板材制造设备及方法技术领域。
背景技术
由于材料特性、制件形状以及模具和成形工艺等方面的因素，板料冲压等成形过程可能出现失稳起皱，给生产过程、产品质量乃至模具寿命带来十分不利的影响。到目前为止，人们已经对板材在不同成形情况下的起皱问题开展了大量理论与实验研究。其中，通过实验掌握各种板材在不同成形条件下的起皱特性，对于预测、分析起皱现象、合理制定成形工艺参数，从而控制、改善和解决起皱问题十分重要。在板材起皱性能测试技术中，日本学者吉田清太二十世纪八十年代提出的方板对角拉伸实验（YoshidaBucklingTest，YBT）方法，是目前研究板材抗皱性能时应用最多的方法。YBT方法利用方板在沿对角线方向上的拉伸载荷下诱导产生的横向压应力导致板材起皱，通过试样中心最大起皱高度来评估材料的起皱特性。但实际板料的起皱可能在各种应力状态下产生，如压应力、不均匀拉伸力、剪切力及板平面内弯曲力等，而YBT实验主要考虑了不均匀拉应力诱发的横向压应力的作用，并不能全面反映板料冲压成形时的复杂受力情况。为此，许多学者对YBT进行了改进，例如改变方板试样形状（切除横向两侧的直角端、改变过渡圆角大小等）、增加夹持端获得双向应力状态等，也有学者采用圆形板或楔形条等其他试样形状研究板材的起皱行为。此外，对压应力起皱也有许多研究和相应的模拟试验方法，如圆筒形零件拉伸时法兰变形区的起皱试验等。总体来看，这些方法虽然能够在一定程度上合理评估板材的起皱特性，但存在实验过程比较复杂，或者起皱模式缺乏代表性和可比性，或者适用范围有限等各种不足。
剪应力起皱是板料冲压等成形过程中的一种典型起皱类型。文献【孙振忠，杨玉英，薄板剪应力起皱研究，工程力学，23(7)：35-39，2006；杜冰，王绪辰，杨亨艳，赵翀昊，杨卓云，一种金属板剪应力起皱装置及其起皱失稳特征测量方法，专利申请号：202110167893.9；徐伟力，俞宁峰，金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置，专利申请号：200710044755.1】对薄板的剪应力起皱进行了研究，探讨了剪应力起皱的变形特征、理论分析以及实验测试方法等。这些研究设计了专用的剪切加载试验装置，但试样形式较复杂、操作相对繁琐，导致实验周期长、测试成本高。此外，这些方法都是针对试样在对称加载的理想条件下，与实际应力状态通常并不吻合。总体上，目前对剪应力导致的板料起皱的试验方法研究还很少，有必要进一步开发简单易行的板料剪切失稳起皱的实验方法。
发明内容
本发明目的是提供一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样与方法，利用有限元模拟分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形并根据起皱高度确定试样尺寸，将试样中心垂直于板料的面外位移和起皱高度作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标；通过调节试样与夹持端尺寸得到不同剪切应力下的起皱，无需专用模具，简单易行、可重复性高，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样，测试板材为厚度0.1-3 mm的矩形薄板，所述矩形薄板沿拉伸方向的长度L为20-200 mm，与拉伸方向垂直的宽度W为20-50 mm；矩形薄板沿拉伸方向两端的对角位置被分别切除一个矩形区域；与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域沿拉伸方向的长度l为5-50 mm，与拉伸方向垂直的宽度b为5-45 mm。
拉伸实验时，所述与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域为偏置加载试样的夹持端。
所述矩形薄板的尺寸和与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域的尺寸，与拉伸实验中得到的不同板平面内的剪切应力分布状态相匹配。
一种测试板材剪切起皱性能的方法，包含以下步骤：
（1）根据板料原料尺寸，确定偏置加载试样的初始尺寸L，W，l，b和夹持端过渡圆角R；
（2）利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形，有限元模拟的加载位置为偏置加载试样两端的夹持端，得到偏置加载试样的板平面内的应力、应变分布和变形形状；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的中心点O在垂直于板平面方向的最大位移，即起皱高度h；
若起皱高度h≥0.1 mm，进入下一步骤；
若起皱高度h<0.1 mm，保持偏置加载试样两侧的尺寸，从偏置加载试样的内侧减小偏置加载试样的剩余矩形区域的宽度b，利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的起皱高度h；若h≥0.1 mm，进入下一步骤；若h<0.1 mm，进一步从偏置加载试样的内侧减小宽度b，并重复上述步骤，直到偏置加载试样的尺寸满足h≥0.1 mm的测试条件；
（3）按照步骤（2）确定的尺寸加工偏置加载试样；
（4）将偏置加载试样的上下夹持端分别固定于万能材料试验机上下端固定不动，上端以恒定速度v拉伸至设定的位移△L；
（5）测量偏置加载试样的中心点O处垂直于板料的面外位移U3和起皱高度h。
所述位移△L按以下方式确定：△L/L=0.2-0.5。
所述面外位移U3和起皱高度h作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标。
本发明的有益效果是：利用有限元模拟分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形并根据起皱高度确定试样尺寸，将试样中心垂直于板料的面外位移和起皱高度作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标；通过调节试样与夹持端尺寸得到不同剪切应力下的起皱，无需专用模具，简单易行、可重复性高。
附图说明
图1为本发明的偏置加载试样结构示意图；
图2为本发明实施例一中，夹持端宽度为15 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸4mm时的面外位移分布图；
图3为本发明实施例一中，夹持端宽度为20 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸4mm时的面外位移分布图；
图4为本发明实施例一中，夹持端宽度为25 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸4mm时的面外位移分布图；
图5为本发明实施例一中，模拟得到的三种不同板料在轴向非对称拉伸4mm时中心点O处的最大起皱高度h对比图；
图6为本发明实施例一中，剪切应力分量为76.75 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图；
图7为本发明实施例一中，剪切应力分量为80.03 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图；
图8为本发明实施例一中，剪切应力分量为68.02 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图；
图9为本发明实施例二中，试样长度为80 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸10mm时的面外位移分布图；
图10为本发明实施例二中，试样长度为90 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸10mm时的面外位移分布图；
图11为本发明实施例二中，试样长度为100 mm时，模拟得到的板料在轴向非对称拉伸10mm时的面外位移分布图；
图12为本发明实施例二中，模拟得到的三种不同板料在轴向非对称拉伸4mm时中心点O处的最大起皱高度h对比图；
图13为本发明实施例二中，剪切应力分量为112.43 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图；
图14为本发明实施例二中，剪切应力分量为94.81 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图；
图15为本发明实施例二中，剪切应力分量为87.11 MPa时，模拟得到的板料在起皱时刻的剪切应力分布和中心点O处的剪切应力值示意图。
具体实施方式
为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，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他实施案例，都属于本发明保护范围。
一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样，测试板材为厚度0.1-3 mm的矩形薄板，所述矩形薄板沿拉伸方向的长度L为20-200 mm，与拉伸方向垂直的宽度W为20-50 mm；矩形薄板沿拉伸方向两端的对角位置被分别切除一个矩形区域；与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域沿拉伸方向的长度l为5-50 mm，与拉伸方向垂直的宽度b为5-45 mm。
拉伸实验时，所述与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域为偏置加载试样的夹持端。
所述矩形薄板的尺寸和与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域的尺寸，与拉伸实验中得到的不同板平面内的剪切应力分布状态相匹配。
一种测试板材剪切起皱性能的方法，包含以下步骤：
（1）根据板料原料尺寸，确定偏置加载试样的初始尺寸L，W，l，b和夹持端过渡圆角R；
（2）利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形，有限元模拟的加载位置为偏置加载试样两端的夹持端，得到偏置加载试样的板平面内的应力、应变分布和变形形状；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的中心点O在垂直于板平面方向的最大位移，即起皱高度h；
若起皱高度h≥0.1 mm，进入下一步骤；
若起皱高度h<0.1 mm，保持偏置加载试样两侧的尺寸，从偏置加载试样的内侧减小偏置加载试样的剩余矩形区域的宽度b，利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的起皱高度h；若h≥0.1 mm，进入下一步骤；若h<0.1 mm，进一步从偏置加载试样的内侧减小宽度b，并重复上述步骤，直到偏置加载试样的尺寸满足h≥0.1 mm的测试条件；
（3）按照步骤（2）确定的尺寸加工偏置加载试样；
（4）将偏置加载试样的上下夹持端分别固定于万能材料试验机上下端固定不动，上端以恒定速度v拉伸至设定的位移△L；
（5）测量偏置加载试样的中心点O处垂直于板料的面外位移U3和起皱高度h。
所述位移△L按以下方式确定：△L/L=0.2-0.5。
所述面外位移U3和起皱高度h作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标。
实施例一
以厚度为0.3 mm的SUS304不锈钢板为例，对本发明进行进一步说明。SUS304不锈钢的屈服强度为236 MPa，弹性模量194GPa，泊松比0.3。
利用本发明测试板材剪切起皱性能的方法的步骤如下：
（1）根据板料原料尺寸，确定偏置加载试样的初始尺寸；
偏置加载试样如图1所示，沿拉伸方向的总长度L为120 mm，与拉伸方向垂直的总宽度W为40 mm，上、下夹持端长度l为30 mm，上、下夹持端宽度b分别为15 mm、20 mm、25 mm。
（2）利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形，有限元模拟的加载位置为偏置加载试样两端的夹持端，得到偏置加载试样的板平面内的应力、应变分布和变形形状；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的中心点O在垂直于板平面方向的最大位移，得到起皱高度h；
（3）按照步骤（2）确定的满足测试条件的尺寸加工偏置加载试样；
（4）将试样的上、下夹持端分别固定于万能试验机的上下夹具，下夹持端固定不动，上夹持端以0.05mm/s的恒定速度拉伸80 s至4 mm位移处；
（5）根据图2至图4可知，当夹持端宽度b分别为15 mm、20 mm、25 mm时，中心点O处垂直于板料的面外位移U3>>10-1mm，可判断出试样在非轴对称拉伸载荷下已经起皱；根据图5可知，起皱高度h分别为2.45 mm、3.02 mm、1.88mm，肉眼可明显分辨出起皱的形态；其次根据图6至图8可知板料面内存在剪切应力S12，分布状态存在差异，且在起皱时刻中心点O处的剪切应力分量S12的分别为68.02 MPa、80.03 MPa、76.75MPa，数值大小也不相同，说明在起皱时存在大小与分布状态均不相同的剪切应力作用。
该方法可将轴对称单向拉伸转变为非轴对称拉伸的偏置加载条件，在板料面内提供不同分布状态及不同数值大小的剪切应力作用，可用来研究板料的剪切失稳起皱问题。
实施例二
以厚度为0.7 mm的DC04低碳钢板为例，对本发明进行进一步说明。DC04低碳钢的屈服强度为195 MPa，弹性模量210GPa，泊松比0.3。
利用本发明测试板材剪切起皱性能的方法的步骤如下：
（1）根据板料原料尺寸，确定偏置加载试样的初始尺寸；
偏置加载试样如图1所示，沿拉伸方向的总长度L为80 mm、90 mm、100 mm，与拉伸方向垂直的总宽度W为40 mm；上、下夹持端长度l为20 mm，上、下夹持端宽度b为20 mm。
（2）利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形，有限元模拟的加载位置为偏置加载试样两端的夹持端，得到偏置加载试样的板平面内的应力、应变分布和变形形状；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的中心点O在垂直于板平面方向的最大位移，得到起皱高度h；
（3）按照步骤（2）确定的满足测试条件的尺寸加工偏置加载试样；
（4）将试样的上、下夹持端分别固定于万能试验机的上下夹具，下夹持端固定不动，上夹持端以0.1 mm/s的恒定速度拉伸100 s至10 mm位移处；
（5）根据图9至图11可知，当试样长度L分别为80 mm、90 mm、100 mm时，中心点O处垂直于板料的面外位移U3>>10-1mm，可判断出试样在非轴对称拉伸载荷下已经起皱，且根据图12可知，起皱高度h分别为2.51 mm、3.68 mm、2.75mm，肉眼可明显分辨出起皱的形态；其次根据图13至图15可知板料面内存在剪切应力S12，分布状态存在差异，且在起皱时刻中心点O处的剪切应力分量S12的分别为112.43 MPa、94.81 MPa、87.11MPa，数值大小也不相同，说明在起皱时存在大小与分布状态均不相同的剪切应力作用。
由于YBT试样在起皱时刻，其中心点的剪切应力为0，因此本发明相对于传统的YBT方法而言，在试样中心点起皱时提供了不同数值大小、不同分布状态的剪切应力，无需设计专用模具，且在普通的万能试验机上即可实现，简便易行。
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。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (6)

1.一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样，其特征在于：测试板材为厚度0.1-3mm的矩形薄板，所述矩形薄板沿拉伸方向的长度L为20-200 mm，与拉伸方向垂直的宽度W为20-50 mm；矩形薄板沿拉伸方向两端的对角位置被分别切除一个矩形区域；与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域沿拉伸方向的长度l为5-50 mm，与拉伸方向垂直的宽度b为5-45mm。
2.根据权利要求1所述的一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样，其特征在于：拉伸实验时，所述与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域为偏置加载试样的夹持端。
3.根据权利要求1所述的一种测试板材剪切起皱性能的偏置加载试样，其特征在于：所述矩形薄板的尺寸和与被切除矩形区域相邻的剩余矩形区域的尺寸，与拉伸实验中得到的不同板平面内的剪切应力分布状态相匹配。
4.一种测试板材剪切起皱性能的方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）根据板料原料尺寸，确定偏置加载权利要求1-3任意一项所限定的试样初始尺寸L，W，l，b和夹持端过渡圆角R；
（2）利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形，有限元模拟的加载位置为偏置加载试样两端的夹持端，得到偏置加载试样的板平面内的应力、应变分布和变形形状；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的中心点O在垂直于板平面方向的最大位移，即起皱高度h；
若起皱高度h≥0.1 mm，进入下一步骤；
若起皱高度h<0.1 mm，保持偏置加载试样两侧的尺寸，从偏置加载试样的内侧减小偏置加载试样的剩余矩形区域的宽度b，利用有限元模拟方法分析偏置加载试样在拉伸过程中的变形；当偏置加载试样的总拉伸位移达到L/10时，测量偏置加载试样的起皱高度h；若h≥0.1 mm，进入下一步骤；若h<0.1 mm，进一步从偏置加载试样的内侧减小宽度b，并重复上述步骤，直到偏置加载试样的尺寸满足h≥0.1 mm的测试条件；
（3）按照步骤（2）确定的尺寸加工偏置加载试样；
（4）将偏置加载试样的上下夹持端分别固定于万能材料试验机上下端固定不动，上端以恒定速度v拉伸至设定的位移△L；
（5）测量偏置加载试样的中心点O处垂直于板料的面外位移U3和起皱高度h。
5.根据权利要求4所述的一种测试板材剪切起皱性能的方法，其特征在于：所述位移△L按以下方式确定：△L/L=0.2-0.5。
6.根据权利要求4所述的一种测试板材剪切起皱性能的方法，其特征在于：所述面外位移U3和起皱高度h作为板材在剪应力作用下的起皱性能指标。
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