CN117760855A - 电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于板材拉伸测试技术领域，具体涉及一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置及方法，包括基板、设置于基板顶部的非对称回形线圈、与非对称回形线圈电连接的供电单元以及应变测量系统，基板上设置有可拆卸连接的压板，压板开设有孔一和孔二，孔一和孔二均位于试样的散斑区的上方；非对称回形线圈的一部分所在区域为中心测量区，另外的部分所在区域为胀形变形区；应变测量系统包括可移动的应变拍摄相机和/或可移动的应力拍摄相机；孔一用于应变拍摄相机和/或应力拍摄相机的光源穿过以便应变测量，孔二对应胀形变形区；满足更多高速复杂加载比例的实现，实现了试样多应变路径的极限测试。

Description

电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置及方法

技术领域

本发明属于板材拉伸测试技术领域，具体涉及一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置及方法。

背景技术

以铝合金为主的轻合金因优异的性能，广泛应用于航空航天、交通运输等领域，在当前发展背景下，对工艺技术和成形性能提出了更高的要求。高速成形技术因能提升铝合金材料的成形性能利于大力发展，而如何构建高速本构模型，全面表征测试材料在高速加载状态下的力学性能至关重要。

与此同时，由于单次测试的高成本及长周期的特性制约着高速测试装备的发展，动态测试装备及测试应变路径的单一性，制约着高速复杂工艺下材料成形性能的评估。如何实现多轴化的测试试样的拉伸极限，是当前高速测试领域技术难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置及方法，满足更多高速复杂加载比例的实现，实现了试样多应变路径的极限测试。

本发明提供了一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，包括：

基板，所述基板上设置有可拆卸连接的压板，所述压板开设有孔一和孔二，所述孔一和孔二均位于试样胀形区及散斑区的上方；

设置于基板顶部的非对称回形线圈，所述非对称回形线圈的一部分所在区域为中心测量区，另外的部分所在区域为胀形变形区；

与非对称回形线圈电连接的供电单元；以及

应变测量系统，所述应变测量系统包括可移动的应变拍摄相机和/或可移动的应力拍摄相机；所述孔一对应胀形变形区，所述孔二用于应变拍摄相机和/或应力拍摄相机的光源穿过以便应变测量。

可选地，所述非对称回形线圈为两匝线圈。

可选地，装置还包括与基板的底部刚性连接的正负极线排，所述正负极线排与供电单元电连接，所述非对称回形线圈与正负极线排电连接。

可选地，所述基板上设有多个定位标记点，用于精确定位试样，便于实现多种极限加载比例。

可选地，所述孔一为方形孔，所述孔二为楔形孔。

可选地，所述非对称回形线圈嵌设于基板内；或者

所述非对称回形线圈设于基座内，所述基座嵌设于基板内并通过螺钉固定。

可选地，所述应变测量系统还包括平面驱动机构和固定架，所述平面驱动机构安装于脚架上并位于压板的上方，所述应变拍摄相机和/或应力拍摄相机安装于平面驱动机构上。

可选地，所述供电单元包括充电回路和放电回路，所述充电回路将电能升压整流后，储存于放电回路中，放电回路为非对称回形线圈提供电力。

本发明还提供了一种电磁力驱动金属薄板双轴拉伸极限测试方法，包括以下步骤：

S1、制作标准的双轴拉伸试样，并在拍摄区域喷涂散斑；

S2、将试样固定在基板与压板之间；

S3、设计试验方案，为构建高速成形极限图，开展加载比例为1：1、1：2、1：4、3：4、4：3、4：1和2：1这几组试验方案，通过对放置在放电测试区域的试样进行上下的平移，获取不同的力臂长度，通过塑性应变波传导的差异，实现不同的加载比例；

S4应变拍摄相机和/或应力拍摄相机在不同加载比例试验中会进行平移调整，并进一步微调应变拍摄相机和/或应力拍摄相机使视野正对中心散斑区域，且确保图像清晰；

S5、供电单元向非对称回形线圈放电，非对称回形线圈产生电磁力作用于试样，试样受电磁力影响在试样区域高速胀形，同时应变测量系统记录拉伸试样散斑区域发生的变形过程；

S6、应变测量系统将拍摄的照片传送给应变数据分析装置，应变数据分析装置对实验数据进行处理，获得试样中心区域在拉伸过程的工程应变；

S7、由上述试样及线圈工装以及成形极限测量方案，实现利用不同双轴加载比例实现的材料高速成形极限，并构建高速成形极限图。

可选地，所述试样中心区域扇形减薄，并在该中心区域喷涂散斑。

本发明的有益效果是，本发明提供的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，利用非对称回形线圈通电产生的电磁力，驱动试样在胀形变形区高速胀形，由于基板和压板的压紧限制作用，试样处于中心测量区内的部位，进行平面拉伸运动，通过非对称回形线圈实现试样双轴向拉伸及应变路径的改变，并且通过应变测量系统实时监测拉伸过程的数据并进行分析，获得试样中心测量区域在拉伸过程的工程应变，并通过基板与压板的配合，以及通过调整试样放置在基板上的不同位置，实现试样进行多种加载比例下的极限测试，满足了高速复杂工艺下材料成形性能的评估。

附图说明

图1为本发明提供的装置的部分立体结构示意图；

图2为本发明提供的装置的工作原理图；

图3为本发明提供的部分不同加载比例时试样放置示意图。

图中：10、基板；11、压板；111、孔一；112、孔二；12、螺钉；20、非对称回形线圈；31、充电回路；32、放电回路；40、应变测量系统；41、应变拍摄相机；42、应力拍摄相机；43、平面驱动机构；5、试样。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明提供了一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，包括：基板10、设置于基板10顶部的非对称回形线圈20、与非对称回形线圈20电连接的供电单元以及应变测量系统40，基板10上设置有可拆卸连接的压板11，压板11开设有孔一111和孔二112，孔一111和孔二112位于试样5的胀形区及散斑区的上方；非对称回形线圈20的工作区域为胀形变形区，并由塑性应力波传导，作用于中心区域中；应变测量系统40包括可移动的应变拍摄相机41和/或可移动的应力拍摄相机42；所述孔一111对应胀形变形区，孔二112用于应变拍摄相机41和/或应力拍摄相机42的光源穿过以便应变测量。

与现有技术相比，本发明提供的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，利用非对称回形线圈20通电产生的电磁力，驱动试样5在胀形变形区高速胀形，由于基板10和压板11的压紧限制作用，试样5处于中心测量区内的部位，进行平面拉伸运动，通过非对称回形线圈20实现试样5双轴向的应变路径拉伸，并且通过应变测量系统40实时监测拉伸过程的数据并进行分析，获得试样5中心测量区域在拉伸过程的工程应变，并通过基板10与压板11的配合，以及通过调整试样5放置在基板10上的不同位置，实现试样5进行多加载比例极限测试，满足了高速复杂工艺下材料成形性能的评估。

在一个实施例中，非对称回形线圈20为两匝线圈。具体地，线圈分为测试区域（高速胀形区）和非测试区域，测试区域为细窄形的两匝线圈并排。采用环形双匝线圈的设计方案，两个工作线圈之间的距离为3mm，目的是提高了放电的集中度和效率。测试区域具有较窄的线圈宽度，而非测试区具有较大的宽度，这种设计可以降低线圈电阻，提高整体工作效率。测试区域的单个线圈宽度为4mm，而非测试区域中的线圈宽度基于整体布置设置在25mm到60mm的范围内。

本实施例中，装置还包括与基板10的底部刚性连接的正负极线排，正负极线排与供电单元电连接，非对称回形线圈20与正负极线排电连接。具体地，在线排接入的下方有紧固螺丝，正负极线排通过这12颗螺丝紧固压板11，该上下间隙式排布方式能保证放电电路的安全性，避免打火现象的发生，保证整个装置的在放电过程中正常运行。

本实施例中，基板10上设有多个定位标记点，用于精确定位试样5，便于实现多种极限加载比例，具体地，多个定位标记点在基板10上所对应的非对称回形线圈20区域内呈平面坐标系分布，定位标记点可以是开设于基板10上的层孔，也可以是通过激光打标形成，至少有两个定位标记点为一对，从而多对定位标记点，在基板10上指示出极限测试加载比例为1：1、1：2、1：4、3：4、4：3、4：1和2：1等。

本实施例中，孔一111为方形孔，所述孔二112为楔形孔。孔二112楔形孔位于试样5中心位置的上方，试样5中心为测试的关键部位，在高速测试条件下，光源易受到影响高速冲击波的影响，为避免对光线产生影响，改用楔形孔使光线更好地导入试样5中心，完成中心区域高速加载条件下实时应变及成形极限的获取。

在一个实施例中，非对称回形线圈20嵌设于基板10内。具体地，在基板10的表面根据设计的非对称回形线圈20的形状开设有相应的导槽和通孔（图中未示），将非对称回形线圈20固定在导槽内，非对称回形线圈20的两端穿过通孔，并分别接在正负极线排的正负极接头上，如此，可以减少部件数量，降低成本。

在另一个实施例中，非对称回形线圈20设于基座内，基座嵌设于基板10内并通过螺钉12固定。具体地，在基板10的中间机加工出凹槽（图中未示），并开设相应的通孔（图中未示），在基座的表面根据设计的非对称回形线圈20的形状开设有相应的导槽和通孔（图中未示），将非对称回形线圈20固定在导槽内，基座嵌设于基板10的凹槽内，并通过螺栓固定，非对称回形线圈20的两端穿过基座和基板10上的通孔，并分别接在正负极线排的正负极接头上，如此，预先准备具有多种形状线圈的基座，与极板匹配，满足更多的测试需求。

当然，所述凹槽可以贯穿基板10，凹槽边缘形成阶梯结构，用于安装基座并通过螺栓固定，那么正负极线排可与基座通过螺栓紧固。

本实施例中，应变测量系统40还包括平面驱动机构43和固定架，平面驱动机构43安装于脚架上并位于压板11的上方，应变拍摄相机41和/或应力拍摄相机42安装于平面驱动机构43上。

具体地，固定架可以是龙门架，平面驱动机构43位于压板11的上方，平面驱动机构43为层叠式设置的两个电机丝杠，且两个电机丝杠驱动方向相互垂直，靠近压板11的电机丝杠驱动连接有安装板，安装板配合有相应的导轨，应变拍摄相机41和/或应力拍摄相机42刚性连接在安装板朝着压板11的一面，从而实现应变拍摄相机41和应力拍摄相机42平面位置调节，以更加准确地记录试样5拉伸变形的过程。

供电单元包括充电回路31和放电回路32，充电回路31将电能升压整流后，储存于放电回路32中，放电回路32为非对称回形线圈20提供电力。充电回路31包含的主要元器件为电容，若干个电容并联嵌入电磁脉冲主机中完成充电过程，然后多个电容同步放电，脉冲电流瞬间流进线圈工具，产生强大电磁力，完成工艺过程。

本发明提供的一种电磁力驱动金属薄板双轴拉伸极限测试方法，包括以下步骤：

S1、制作标准的双轴拉伸试样5，并在拍摄区域喷涂散斑；

S2、将试样5固定在基板10与压板11之间；

S3、设计试验方案，为构建高速成形极限图，开展两轴加载比例为x:y=1：1、1：2、1：4、3：4、4：3、4：1和2：1这几组试验方案，通过对放置在放电测试区域的试样5进行上下的平移，获取不同的力臂长度，通过塑性应变波传导的差异，实现不同的加载比例；具体的，试样5的上下平移保持在集中性强的窄形线圈段中进行，通过试样5力臂端的长度比实现不同加载比例。其中等力臂长度可在电磁放电后实现1：1的加载比例，即获取等双拉应变路径，同理当力臂长度比例为1:2、1:4、2:1、4:1这类加载比例时，材料会经历双轴到平面应变的高速变形过程。

S4应变拍摄相机41和/或应力拍摄相机42在不同加载比例试验中会进行平移调整，并进一步微调应变拍摄相机41和/或应力拍摄相机42使视野正对中心散斑区域，且确保图像清晰；

S5、供电单元向非对称回形线圈20放电，非对称回形线圈20产生电磁力作用于试样5，试样5受电磁力影响在试样5区域高速胀形，同时应变测量系统40记录拉伸试样5散斑区域发生的变形过程；

S6、应变测量系统40将拍摄的照片传送给应变数据分析装置，应变数据分析装置对实验数据进行处理，获得试样5中心区域在拉伸过程的工程应变；

S7、由上述试样5及线圈工装以及成形极限测量方案，实现利用不同双轴加载比例实现的材料高速成形极限，并构建高速成形极限图。

可选地，所述试样5中心区域扇形减薄，并在该中心区域喷涂散斑。前期经过了大量的实验，探究出扇形减薄形状能实现应变集中分布于中心区域，便于利用高速DIC采集中心区域的应变，同时能确保断裂产生于中心区域位置，使整套测量系统能准确捕捉成形极限。另外，由于中心区域位置较小，所以采用喷涂散斑的方式，以确保应变测量数据的有效识别。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，包括：

基板（10），所述基板（10）上设置有可拆卸连接的压板（11），所述压板（11）开设有孔一（111）和孔二（112），所述孔一（111）和孔二（112）分别位于试样（5）的胀形变形区及中心散斑区的上方；

设置于基板（10）顶部的非对称回形线圈（20），所述非对称回形线圈（20）作用于胀形变形区；

与非对称回形线圈（20）电连接的供电单元；以及

应变测量系统（40），所述应变测量系统（40）包括可移动的应变拍摄相机（41）和/或可移动的应力拍摄相机（42）；所述孔一（111）对应胀形变形区，所述孔二（112）对应中心测量区，用于应变拍摄相机（41）和/或应力拍摄相机（42）的光源穿过以便应变测量。

2.根据权利要求1所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述非对称回形线圈（20）为两匝线圈。

3.根据权利要求1所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，还包括与基板（10）的底部刚性连接的正负极线排，所述正负极线排与供电单元电连接，所述非对称回形线圈（20）与正负极线排电连接。

4.根据权利要求1所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述基板（10）上设有多个定位标记点，用于精确定位试样（5），便于实现多种极限加载比例。

5. 根据权利要求1所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述孔一（111）为方形孔，所述孔二（112）为楔形孔。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述非对称回形线圈（20）嵌设于基板（10）内；或者

所述非对称回形线圈（20）设于基座内，所述基座嵌设于基板（10）内并通过螺钉（12）固定。

7.根据权利要求1-5任一项所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述应变测量系统（40）还包括平面驱动机构（43），所述平面驱动机构（43）安装于脚架上并位于压板（11）的上方，所述应变拍摄相机（41）和/或应力拍摄相机（42）安装于平面驱动机构（43）上。

8.根据权利要求1-5任一项所述的电磁力驱动薄板进行双轴拉伸极限测试的装置，其特征在于，所述供电单元包括充电回路（31）和放电回路（32），所述充电回路（31）将电能升压整流后，储存于放电回路（32）中，放电回路（32）为非对称回形线圈（20）提供电力。

9.一种电磁力驱动金属薄板双轴拉伸极限测试方法，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的装置进行，测试方法包括以下步骤：

S1、制作标准的双轴拉伸试样（5），并在拍摄区域喷涂散斑；

S2、将试样（5）固定在基板（10）与压板（11）之间；

S3、设计试验方案，为构建高速成形极限图，开展加载比例为1：1、1：2、1：4、3：4、4：3、4：1和2：1这几组试验方案，通过对放置在放电测试区域的试样（5）进行上下的平移，获取不同的力臂长度，通过塑性应变波传导的差异，实现不同的加载比例；

S4、应变拍摄相机（41）和/或应力拍摄相机（42）在不同加载比例试验中会进行平移调整，并进一步微调应变拍摄相机（41）和/或应力拍摄相机（42）使视野正对中心散斑区域，且确保图像清晰；

S5、供电单元向非对称回形线圈（20）放电，非对称回形线圈（20）产生电磁力作用于试样（5），试样（5）受电磁力影响在试样（5）区域高速胀形，同时应变测量系统（40）记录拉伸试样（5）散斑区域发生的变形过程；

S6、应变测量系统（40）将拍摄的照片传送给应变数据分析装置，应变数据分析装置对实验数据进行处理，获得试样（5）中心区域在拉伸过程的工程应变；

S7、由上述试样（5）及线圈工装以及成形极限测量方案，实现利用不同双轴加载比例实现的材料高速成形极限，并构建高速成形极限图。

10.根据权利要求9所述的电磁力驱动金属薄板双轴拉伸极限测试方法，其特征在于，所述试样（5）中心区域扇形减薄，并在该中心区域喷涂散斑。