專利名稱：一種基于dic技術的板料成形性能測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于鋼、鋁、鎂等板料成形性能的測定裝置，屬于板料成形和圖像處理等技術領域。
背景技術：
金屬板料制品廣泛應用于國民經濟建設和人們日常生活中的各個領域，因此金屬板料的塑性加工占有非常重要的地位。隨著以家庭轎車為典型代表的現代交通運輸工具的輕量化以及航天航空等機械制造業的快速發展，鋁、鎂等合金以其密度小，比強度高，加工性能好等特點，在板料成形中已得到廣泛應用。2007年召開的中國交通用鋁國際研討會上的數據顯示，汽車用鋁合金材料呈現快速增長的勢頭，鋼鐵、塑料和輔件的比例不斷下降， 而鋁材比例由1980年的4%提高到2000年的12. 5%，預計到2010年可達25%以上，將部分替代鋼鐵成為汽車工業的基礎材料。為評價板材的拉伸性能，20世紀60年代，Keeler和 Backofen提出了成形極限圖(FLDsJorming Limit Diagrams)的概念，這個概念很快被廣泛接受。成形極限圖，又稱成形極限曲線，是對板材成形性能的一種定量描述，它反映了加工過程中板材在塑性失穩(縮頸)前所能取得的最大變形程度，是進行工藝與模具設計的主要依據。此后，針對成形極限圖的實驗、理論和數值分析一直成為國內外眾多學者研究的執占。在實驗研究方面，Nakazima和Marciniak提出的雙向拉伸方法經常被用于獲得板料的成形極限圖。在實驗過程中，為得到盡可能多的與實際生產過程中相對應的變形狀態， 不同形狀的試件被雙向拉伸直至發生斷裂，而后采用網格法(CGA，Circle Grid Analysis) 或數字圖像相關技術(DIC，Digital Image Correlation)來測量試件表面斷裂帶附近的主應變值，最后將各個狀態下所得到的主應變值點連接起來即為成形極限曲線。為獲得成形極限圖，需對板料在發生塑性失穩時的變形程度進行測量，而傳統的應變測量技術(網格法)存在著耗時、費力及精度低等缺點，且該技術只能在實驗結束后對變形試件進行測量以得到某一特定狀態的應變值，并不能對實驗過程進行連續跟蹤。相反， 縮頸現象的發生是一個連續過程，因此用傳統的網格法研究縮頸現象有很大的局限性。為此，國際上提出采用數字圖像相關技術來測量試件表面的變形應變。該技術是一種通過檢測對比不同變形時刻試件表面圖像上隨機分布的斑點灰度值(0-25 來計算變形位移量從而得到變形場的非接觸變形測量方法。基于該技術，很多學者研究開發了數字圖像相關技術軟件，并成功用于測量板料的變形應變，如ASAME，ARAMIS, AutoGrid等系統。北京大學趙永紅等采用數字圖像相關技術研究含微裂紋的巖石的變形，并成功測量了巖石受力過程產生的微變形分布，哈爾濱工業大學許蔚則利用該技術分析了玻璃微珠填充環氧樹脂功能梯度材料的I型靜態斷裂特性，但目前該技術在國內金屬板料成形領域中的應用尚不廣泛，因此，基于以上對國內外現狀的分析，本發明將開發一種新的板料成形性能測定裝置， 并利用非接觸應變測量技術實現對變形過程中的板料應變的測量。
發明內容
本發明針對現有板料成形測試方法中存在的缺陷，設計一種便于實現對試件表面圖像連續獲取和對縮頸現象進行研究分析的基于DIC(數字圖像相關性技術)技術的板料成形性能測試裝置。本發明的基于DIC技術的板料成形性能測試裝置的采用以下技術解決方案該板料成形性能測試裝置，包括圖像獲取模塊和雙向拉伸實驗裝置；圖像獲取模塊包括光學鏡面、高速攝像機和計算機，光學鏡面位于高速攝像機的前面，高速攝像機與計算機連接；雙向拉伸實驗裝置包括底座、凹模、壓邊圈、凸模、鐘形罩和導柱，底座上設有兩根導柱，凹模固定在鐘形罩的底部，壓邊圈連接在凹模下部，凹模套裝在導柱上，鐘形罩上設有兩個窗口，一個窗口用于安裝光學鏡面，另一個窗口用于高速攝像機拍攝由光學鏡面反射的板料試件圖像，凸模設置在底座上并位于凹模的正下方；在板料試件上噴涂黑白相間的散斑，將板料試件固定在凹模與壓邊圈之間；將雙向拉伸實驗裝置安裝到材料試驗機上，材料試驗機控制鐘形罩與凹模向下運動，板料試件的底面抵在凸模上，對板料試件進行拉深，直至板料試件出現裂紋為止，板料試件變形過程中，其上噴涂的黑白相間的散斑發生光學變化，用高速攝像機通過光學鏡面拍攝整個光學變化過程，并把整個過程傳輸到計算機；計算機處理獲得的圖像，并計算試件的應變，根據計算出的不同寬度板料試件的應變， 繪制板料成形極限圖，完成板料成形性能的測試。壓邊圈和凹模與板料試件的接觸面均為鋸齒狀結構，這樣在實驗過程中板料壓扁部分不發生滑動，可以保證板料成形性能測定的準確性。板料試件中部厚度小于周圍部分，可以保證塑性失穩發生在試件的中心部位，便于對高速攝像機的調整。本發明采用基于數字圖像相關性技術的非接觸網格應變測量技術，避免了傳統雙向拉伸實驗裝置中墊板的使用，制造簡便；采用鐘形罩結構，可以很好地滿足動態加載下對試驗裝置的剛度要求；采用“倒置式”模具設計，便于實現實驗過程中對試件表面圖像的連續獲取；板料試件采用非均一性的板料厚度，保證塑性失穩發生在板料中心部位，便于對縮頸現象進行研究分析。
圖1是本發明基于DIC技術的板料成形性能測試裝置的結構框圖。圖2是本發明中雙向拉伸實驗裝置的結構示意圖。圖3是雙向拉伸實驗裝置實驗裝置中凹模的結構示意圖。圖4是雙向拉伸實驗裝置實驗裝置中壓邊圈的結構示意圖。圖5是雙向拉伸實驗裝置實驗裝置中凸模的結構示意圖。圖6是雙向拉伸實驗裝置實驗裝置中壓邊圈和凹模與試件接觸面的結構示意圖。圖7是試件的結構示意圖。圖8是在表面噴涂黑白相間的散斑后的試件示意圖。其中1、高速攝像機，2、光學鏡面，3、凹模，4、板料試件，5、壓邊圈，6、凸模，7、鐘形罩，8、導柱，9、底座，10、定位銷。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的基于DIC技術的板料成形性能測試裝置，包括圖像獲取模塊和雙向拉伸實驗裝置。圖像獲取模塊包括光學鏡面2、高速攝像機1和計算機，光學鏡面2 位于高速攝像機1的前面，高速攝像機1與計算機連接。雙向拉伸實驗裝置的結構如圖2 所示，包括底座9、凹模3、壓邊圈5、凸模6、鐘形罩7和導柱8，底座9上設有兩根導柱8，凹模3安裝在導柱8上，凹模3的底部設有壓邊圈5，凹模3的上部設有鐘形罩7，凸模6設置在底座9上并位于凹模3的正下方。鐘形罩4上設有兩個窗口，一個窗口用于安裝光學鏡面2，另一個窗口用于高速攝像機1拍攝由光學鏡面2反射的板料試件圖像。凹模3、壓邊圈5和凸模6的結構分別如圖3、圖4和圖5所示，壓邊圈5上設有兩個用于與板料4定位的定位銷10，保證試樣按要求固定在模具上。為保證實驗過程中板料的壓邊，壓邊圈5和凹模6與板料試件的接觸面均為如圖 6所示的鋸齒狀結構，這樣在實驗過程中板料壓扁部分不發生滑動，可以保證板料成形性能測定的準確性。上述雙向拉伸實驗裝置避免了傳統Marciniak裝置中墊板的使用，設計更加簡便；采用鐘形罩既可以實現實驗過程中高速攝像機1通過光學鏡面2對試件表面圖像的獲取，又能滿足進行動態試驗對裝置剛度的要求。本發明的具體工作工程如下(1)準備一系列不同寬度的板料試件4，板料試件4的形狀如圖7所示，采用一種非均一性厚度的結構，試件中心部位厚度小，周圍壓邊部分厚度大，厚度變化的過渡部分有圓角過渡，避免板料試件4加工后存在過大殘余應力，采用此類板料試件可以保證塑性失穩發生在試樣的中心部位，便于對高速攝像機1的調整。如圖8所示，在板料試件4上噴涂黑白相間的散斑。為保證板料試件4按要求固定在模具上，可在板料試件4上加工定位孔。(2)將雙向拉伸實驗裝置安裝在材料試驗機上，鐘形罩7的上部與材料試驗機下壓機構連接，將板料試件4放置在凹模3與壓邊圈5之間(參見圖1)，通過螺栓將壓邊圈5 與凹模3緊固，板料試件4被夾緊在凹模3與壓邊圈5之間。(3)將高速攝像機1固定在一個支架上，調整高速攝像機1使之能夠拍攝板料試件 4的中央部分。(4)在材料試驗機的控制下，鐘形罩7與凹模3以一定速度沿導柱8向下運動，板料試件4的底面抵在凸模6上，對板料試件4進行拉深，直至板料試件4出現裂紋為止，板料試件4變形過程中，其上噴涂的黑白相間的散斑會發生光學變化，用高速攝像機1通過光學鏡面2拍攝整個光學變化過程，并把整個過程傳輸到計算機。整個過程中，高速攝像機1 拍攝板料試件4的中央部位，即板料試件4變形最為嚴重的部分。(5)采用計算機中數字圖像相關性技術(DIC)相關軟件，處理整個變形過程中試件的表面應變，計算試件的應變。(6)改變不同寬度的板料，重復進行試驗步驟0)-(5)。(7)根據計算機計算出的試件的應變，繪制板料成形極限圖，完成板料成形性能的測試。
權利要求
1.一種基于Dic技術的板料成形性能測試裝置，包括圖像獲取模塊和雙向拉伸實驗裝置；其特征是圖像獲取模塊包括光學鏡面、高速攝像機和計算機，光學鏡面位于高速攝像機的前面，高速攝像機與計算機連接；雙向拉伸實驗裝置包括底座、凹模、壓邊圈、凸模、鐘形罩和導柱，底座上設有兩根導柱，凹模固定在鐘形罩的底部，壓邊圈連接在凹模下部，凹模套裝在導柱上，鐘形罩上設有兩個窗口，一個窗口用于安裝光學鏡面，另一個窗口用于高速攝像機拍攝由光學鏡面反射的板料試件圖像，凸模設置在底座上并位于凹模的正下方； 在板料試件上噴涂黑白相間的散斑，將板料試件固定在凹模與壓邊圈之間；將雙向拉伸實驗裝置安裝到材料試驗機上，材料試驗機控制鐘形罩與凹模向下運動，板料試件的底面抵在凸模上，對板料試件進行拉深，直至板料試件出現裂紋為止，板料試件變形過程中，其上噴涂的黑白相間的散斑發生光學變化，用高速攝像機通過光學鏡面拍攝整個光學變化過程，并把整個過程傳輸到計算機；計算機處理獲得的圖像，并計算試件的應變，根據計算出的不同寬度板料試件的應變，繪制板料成形極限圖，完成板料成形性能的測試。
2.根據權利要求1所述的基于DIC技術的板料成形性能測試裝置，其特征是所述壓邊圈和凹模與板料試件的接觸面均為鋸齒狀結構。
3.根據權利要求1所述的基于DIC技術的板料成形性能測試裝置，其特征是所述板料試件中部厚度小于周圍部分。
全文摘要
本發明提供一種基于DIC技術的板料成形性能測試裝置，主要包括圖像獲取模塊和雙向拉伸實驗裝置；圖像獲取模塊包括光學鏡面、高速攝像機和計算機，光學鏡面位于高速攝像機的前面，高速攝像機與計算機連接；雙向拉伸實驗裝置包括底座、凹模、壓邊圈、凸模、鐘形罩和導柱；在板料試件上噴涂黑白相間的散斑，將板料試件固定在凹模與壓邊圈之間；使鐘形罩與凹模一起向下運動，對板料試件進行拉深，用高速攝像機通過光學鏡面拍攝整個光學變化過程，并把整個過程傳輸到計算機；計算機處理獲得的圖像，并計算試件的應變，繪制板料成形極限圖。本發明制造簡便，便于實現實驗過程中對試件表面圖像的連續獲取和對縮頸現象進行研究分析。
文檔編號G01N3/06GK102305745SQ20111013845
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者孔偉, 張存生, 張紅梅, 趙國群 申請人:山東大學