復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置及方法與流程

本發明涉及薄壁板材變形過程應力應變測量裝置及方法，具體涉及復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置及方法。

背景技術：

隨著高新武器裝備對高可靠性和長壽命的要求，迫切需要采用整體構件代替傳統的拼焊組裝結構。為實現此類復雜薄壁整體構件的成形，往往需要經歷復雜的變形過程，板材變形過程中坯料形狀、尺寸和邊界條件的改變都導致應力路徑發生變化，加載路徑呈現出非線性。

實際的薄壁板材都具有一定程度的各向異性，在不同的加載路徑下會表現出不同的變形特性和成形性能，需要用盡量接近實際成形條件的實驗來獲得對應的應力、應變等數據，從而實現對板材特性的精確描述和表征。以往，主要采用單向拉伸、圓形模具脹形或橢圓形模具脹形等方法來測試材料性能。但是，上述這些方法都只能獲得某種固定不變的應力狀態下的材料變形數據，即板材平面內兩個方向的應力比值在變形過程中保持恒定。例如，單向拉伸時獲得的是單軸應力狀態，圓形模具脹形獲得的是雙向等拉應力狀態，橢圓形模具脹形獲得的是兩個方向應力值不等的雙向拉伸應力狀態。這些加載路徑被稱為簡單加載或比例加載。

近年來，出現了板材雙向拉伸實驗方法及專用雙向拉伸測試系統。采用專門設計的十字形試樣，通過調整和控制兩個相互垂直方向的拉伸力和拉伸速度可實現試樣的雙向加載實驗。通過試驗機的力、位移和應變測量系統，可以得到變形過程中材料的應力、應變等數據。目前，十字試樣雙向拉伸實驗已被廣泛用于測試板材的力學性能。理論上而言，采用十字試樣雙向拉伸實驗也可以使材料在一定的非比例加載條件下變形，即變形過程中兩個互相垂直方向的應力比值發生相應變化。但是，由于拉伸過程中十字試樣的形狀將隨著變形的進行而不斷發生變化，在等效應變超過10％甚至更小數值時，試樣已經嚴重偏離原有的十字形狀，其變形已經非常不穩定或不可控，因此也就無法再獲得后續的應力、應變等試驗數據。這一不足，嚴重限制了十字試樣雙向拉伸實驗方法的應用，特別是該方法無法用于獲得材料在實驗后期的非穩定變形及最終失效破壞階段的應力、應變信息。

如上所述，實際薄壁板材特別是各向異性明顯的板材在復雜加載條件下將表現出完全不同的變形行為。但是，不論是單向拉伸實驗、圓形/橢圓形模具脹形實驗，還是板材十字試樣雙向拉伸實驗，都只能實現簡單的加載條件，或者只能實現較小變形程度的非比例復雜加載條件。利用這些實驗，都無法獲得一般的復雜加載條件下變形全過程的應力、應變數據，從而無法準確、全面描述材料在復雜應力路徑下的變形特性。

因此，需要建立能夠實現復雜加載路徑的條件并獲得變形過程中的應力應變信息，從而對板材在復雜加載條件下的變形行為進行準確描述。

技術實現要素：

本發明是為解決現有的試驗裝置和方法無法獲得板材在一般復雜路徑加載條件下變形全過程的應力、應變數據，從而無法準確、全面描述材料在復雜應力路徑下的變形特性的問題，進而提供一種復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置及方法。

本發明為了實現上述技術問題采取的技術方案是：

復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置包括底座、施力機構、充液壓板、上模板、玻璃板、階梯凹模、壓力傳感器、控制系統、充液壓力系統、動力系統、CCD相機、多個支撐塊和多個連接桿；

所述底座通過多根所述連接桿與所述上模板連接，所述階梯凹模上加工有孔徑逐漸減小的漸縮孔，所述階梯凹模的漸縮孔的小口所在的端面與所述上模板的下表面固定連接，位于所述階梯凹模下方的所述底座上安裝有施力機構，所述施力機構的輸出端固裝有所述充液壓板，所述充液壓板與所述階梯凹模的漸縮孔的大口端相對設置，所述上模板上開設有與所述階梯凹模的漸縮孔的小口貫通的觀測孔，所述上模板的上表面安裝有多個所述支撐塊，多個所述支撐塊上安裝有所述玻璃板；所述玻璃板和所述上模板水平布置；

所述上模板的觀測孔正上方布置有所述CCD相機，所述充液壓板上表面和所述階梯凹模的漸縮孔的大口所在的端面之間密封布置有待測的薄板，所述薄板上噴涂有隨機分布的散斑的一板面朝向CCD相機設置，所述動力系統的液體介質出口和所述施力機構的液體介質入口連通，所述充液壓力系統與所述充液壓板的壓力介質入口連通，所述充液壓力系統的出口管道上安裝有用于檢測出口介質壓力的壓力傳感器，所述CCD相機的圖像信號輸出端與所述控制系統的圖像信號輸入端連接，所述壓力傳感器的壓力信號輸出端與所述控制系統的壓力信號輸入端連接，所述控制系統用于處理輸入的圖像信息和壓力信息。

復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量方法，按照以下步驟實現：

步驟一、按實驗需要設計制作相應的階梯凹模，并按照實驗要求切割薄板；

步驟二、將薄板放置于充液壓板上表面和階梯凹模之間，在控制系統的控制下通過電液伺服閥將動力系統中液體介質通入到施力機構中，施力機構輸出端推動充液壓板向階梯凹模運動從而將薄板壓緊密封；

步驟三、控制系統控制充液壓力系統經過壓力介質入口向薄板和充液壓板之間通入壓力介質使薄板向階梯凹模方向脹形，隨著脹形的進行，薄板與階梯凹模接觸時受到模具的作用使得薄板脹形時外輪廓形狀發生改變；

步驟四、壓力傳感器采集薄板與充液壓板之間壓力介質的壓力值，CCD相機記錄薄板變形時散斑的變化；上述信息傳入到控制系統經過分析處理得到薄板在不同位置處的位移、應力、應變以及壓力介質的壓力信息；

步驟五、使薄板發生穩定且持續的脹形變形直至破裂，保存實驗數據，拆下實驗后變形的板材。

本發明的有益效果是：一、本發明提出的階梯凹模脹形法，脹形過程中通過階梯凹模對脹形時的板材進行約束使得板材在脹形過程中頂點處的應力狀態發生變化，從而實現板材在復雜加載路徑下發生變形，獲得相應的應力應變數據用于理論研究。實現過程較為簡單，不需要特殊的設備，簡單易行。

二、通過改變階梯凹模的截面形狀就可以實現不同的復雜加載路徑，無需進行程序控制，因此加載過程簡單且連續、穩定，全過程的應力應變數據都可以完整、精確測量。

三、本發明采用底座、連接桿和上模板連接而成裝置的主要框架，結構簡單而緊湊；采用單個驅動單元提供密封壓力，簡單而便于操作。

四、板材脹形過程中應力值可以通過計算公式計算得到，計算公式中所涉及的參數均能通過CCD相機精確測量并經過控制系統處理得到，應力測量結果精確；應變值是通過CCD相機測量經由控制系統處理得到，應變測量結果精確；因此可以較為精確地獲得板材在復雜應力狀態下變形時的應力應變信息。

五、應變測量是通過向板材上噴涂散斑然后由CCD相機測量并經過處理得到，無需粘貼應變片或采用球徑儀等工具，操作簡單且測量結果可靠。

六、試樣制備簡單，只需要將板材制成大小合適的圓形試樣即可。

附圖說明

圖1為復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置示意圖，圖2為采用CCD相機對板材變形過程進行測量的示意圖，圖3為常規橢圓形開口凹模實現板材脹形原理圖，圖4為脹形后得到板材外輪廓形狀分析示意圖，圖5a為帶有漸縮孔的階梯凹模示意圖，圖5b為階梯凹模某橫截面接近圓形的形狀示意圖，圖5c為階梯凹模某橢圓形橫截面的短軸小于圖5b圓形截面的半徑的形狀示意圖，圖5d為階梯凹模某橢圓形橫截面的短軸小于圖5c的橢圓形橫截面的短軸的形狀示意圖，圖5e為階梯凹模某橢圓形橫截面的短軸小于圖5d的橢圓形橫截面的短軸的形狀示意圖，圖5f為階梯凹模某橢圓形橫截面的短軸小于圖5e的橢圓形橫截面的短軸的形狀示意圖，圖6為采用階梯凹模脹形后的板材示意圖，圖7為各段截面的中間部分不與薄板接觸的階梯凹模示意圖，圖8為各段截面連續光滑過渡并與薄板接觸的階梯凹模示意圖，圖9為一種多段線性加載應力路徑示意圖，圖10為一種連續非線性加載應力路徑示意圖。

其中，1為底座，2為連接桿，3為施力機構，3-3為施力機構液體介質入口，4為轉接板，5為充液壓板，5-1為壓力介質入口，5-2為壓邊密封凹槽、6為上模板，7為支撐塊，8為玻璃板，9為CCD相機，10為階梯凹模，10-1為常規橢圓型開口凹模、10-2為壓邊密封筋、11為壓力傳感器，12為控制系統，13為充液壓力系統，14為動力系統，15薄板，16為散斑。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

本發明為了實現復雜加載路徑所采用的技術原理表述如下：

由圖3和圖4中橢球面上極點或頂點K處所對應的微小單元體的受力平衡，可得到下式：

2R_yδytσ_xsin(δx/2)+2R_xδxtσ_ysin(δy/2)＝p(R_xδx)(R_yδy) (1)

其中，δx、δy為極點(頂點)K處所對應的微小單元體x、y方向上長度，t為K處所對應的微小單元體厚度，R_x、R_y分別為極點(頂點)K處沿x軸和y軸方向的兩個主曲率半徑，p為板材脹形時板材所受壓力。

經簡單變化，(1)即變為拉普拉斯方程：

σ_θ/R_θ+σ_φ/R_φ＝p/t (2)

脹形模具上橢圓孔的長短半軸長度為A,B。以頂點K為基準，距離該點距離為h的某一平面與脹形時的板材相交形成的截面為橢圓，其長短半軸長度記為a,b，則：

R_x＝(a²+h²)/2h (3)

R_y＝(b²+h²)/2h (4)

結合公式(2)(3)(4)可以得到兩個方向上的應力表達式：

其中，α＝σ_x/σ_y。

根據體積不變假設，可以得到頂點P處壁厚的表達式：

兩個方向的應變可以通過CCD相機測量后輸入到控制系統中處理得到。

上面所述的脹形模具開口為橢圓形且僅為單一形狀，板材在脹形過程中所受的兩個方向的應力比值為一定值。若將模具加工成圖5所示的階梯凹模的形式，階梯凹模在不同位置處具有不同的截面形狀，在板材發生脹形時板材會不斷與模具貼靠，模具約束板材脹形時的形狀，則R_x、R_y將發生變化，從而改變板材脹形時頂點K處的應力狀態。隨著脹形過程中頂點K處R_x、R_y的不斷變化，即可使薄板在不斷變化的應力狀態下變形，即實現復雜的應力路徑/加載路徑。

結合圖1說明，復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置包括底座1、施力機構3、充液壓板5、上模板6、玻璃板8、階梯凹模10、壓力傳感器11、控制系統12、充液壓力系統13、動力系統14、CCD相機9、多個支撐塊7和多個連接桿2；

所述底座1通過多根所述連接桿2與所述上模板6連接，所述階梯凹模10上加工有孔徑逐漸減小的漸縮孔，所述階梯凹模10的漸縮孔的小口所在的端面與所述上模板6的下表面固定連接，位于所述階梯凹模10下方的所述底座1上安裝有施力機構3，所述施力機構3的輸出端固裝有所述充液壓板5，所述充液壓板5與所述階梯凹模10的漸縮孔的大口端相對設置，所述上模板6上開設有與所述階梯凹模10的漸縮孔的小口貫通的觀測孔，所述上模板6的上表面安裝有多個所述支撐塊7，多個所述支撐塊7上安裝有所述玻璃板8；所述玻璃板8和所述上模板6水平布置；

所述上模板6的觀測孔正上方布置有所述CCD相機9，所述充液壓板5上表面和所述階梯凹模10的漸縮孔的大口所在的端面之間密封布置有待測的薄板15，所述薄板15上噴涂有隨機分布的散斑16的一板面朝向CCD相機9設置，所述動力系統14的液體介質出口和所述施力機構3的液體介質入口3-3連通，所述充液壓力系統13與所述充液壓板5的壓力介質入口5-1連通，所述充液壓力系統13的出口管道上安裝有用于檢測出口介質壓力的壓力傳感器11，所述CCD相機9的圖像信號輸出端與所述控制系統12的圖像信號輸入端連接，所述壓力傳感器11的壓力信號輸出端與所述控制系統12的壓力信號輸入端連接，所述控制系統12用于處理輸入的圖像信息和壓力信息并控制電液伺服閥的開度。

所述動力系統14的液體介質出口和所述施力機構3的液體介質入口3-3連通且二者連通的管道上安裝有電液伺服閥，所述充液壓力系統13與所述充液壓板5的壓力介質入口5-1連通且二者連通的管道上安裝有電液伺服閥。優選地，為了獲取質量更好的薄板脹形過程的圖像信息，CCD相機9選用兩個，采用兩個CCD相機9透過玻璃板及階梯凹模10的小口實現薄板15脹形變化的采集。

控制系統12優先選用西安交通大學的XTDIC三維光學散斑系統。XTDIC系統是一種光學非接觸式三維變形測量系統，用于物體表面形貌、位移以及應變的測量和分析，并得到三維應變場數據，測量結果直觀顯示。XTDIC系統結合數字圖像相關技術(DIC)與雙目立體視覺技術，通過設置種子點，追蹤物體表面的散斑圖像，實現變形過程中物體表面的三維坐標、位移及應變的測量。CCD相機由XTDIC系統配套，通用產品無特殊要求。

如圖1說明，為了實現施力機構3與充液壓板5的可靠連接，復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量裝置還包括轉接板4，所述施力機構3的輸出端與所述充液壓板5之間布置有與二者連接的所述轉接板4。

如圖1說明，所述施力機構3為液壓式千斤頂或液壓缸。如此設計，結構簡單可靠，使用便捷。階梯凹模10的形狀可以設計成不同的形狀從而使得薄板15在變形時所受的應力狀態不同，實現不同的復雜加載路徑。階梯凹模10的漸縮孔可以采用不同或相同截面形狀的組合設計，可以設計為各個截面中間部分不與薄板15接觸，從而實現薄板15的多段線性加載，如圖7所示；也可以設計為各個截面中間部分選擇不同的過渡方式使得薄板15始終與階梯模具10接觸，從而實現非線性加載，如圖8所示。如圖5a說明，優選地，所述漸縮孔10-3的截面由多個大小不同的橢圓形截面構成。

如圖1說明，所述階梯凹模10的漸縮孔的大口所在的端面上固裝有一圈壓邊密封筋10-2，充液壓板5的上表面上加工有與所述壓邊密封筋10-2匹配設置的一圈壓邊密封凹槽5-2。如此設置，在薄板15脹形實驗時，薄板15與充液壓板5以及薄板15與階梯凹模10通過壓邊密封筋10-2和壓邊密封凹槽5-2相互配合實現緊壓密封。

如圖1說明，優選地，所述連接桿2的數量為四個，四個所述連接桿2沿所述底座1的周向均布設置。如此設置，底座1和上模板6連接穩定可靠，滿足薄板15脹形的實際需要。

如圖1-圖10說明，復雜應力路徑下薄板變形過程應力應變測量方法，按照以下步驟實現：

步驟一、按實驗需要設計制作相應的階梯凹模10，并按照實驗要求切割薄板15；

步驟二、將薄板15放置于充液壓板5上表面和階梯凹模10之間，在控制系統12的控制下通過電液伺服閥將動力系統14中液體介質通入到施力機構3中，施力機構3輸出端推動充液壓板5向階梯凹模10運動從而將薄板15壓緊密封；

步驟三、控制系統12控制充液壓力系統13經過壓力介質入口5-1向薄板15和充液壓板5之間通入壓力介質使薄板15向階梯凹模10方向脹形，隨著脹形的進行，薄板15與階梯凹模10接觸時受到模具的作用使得薄板15脹形時外輪廓形狀發生改變；

步驟四、壓力傳感器11采集薄板15與充液壓板5之間壓力介質的壓力值，CCD相機9記錄薄板15變形時散斑的變化；上述信息傳入到控制系統12經過分析處理得到薄板15在脹形過程中不同位置處的位移、應力、應變以及壓力介質的壓力信息；

步驟五、使薄板15發生穩定且持續的脹形變形直至破裂，保存實驗數據，拆下實驗后變形的板材。

步驟三中的階梯凹模10的形狀設計成不同的形狀從而使薄板15在變形時所受的應力狀態不同，實現不同復雜加載路徑的板材脹形。階梯凹模10的漸縮孔可以采用不同或相同截面形狀的組合設計，可以設計為各個截面中間部分不與薄板15接觸，從而實現薄板15的多段線性加載，如圖7所示；也可以設計為各個截面中間部分選擇不同的過渡方式使得薄板15始終與階梯模具10接觸，從而實現非線性加載，如圖8所示。

其中圖5a為階梯凹模10的漸縮孔10-2為多個不同橢圓形截面構成的漸縮孔，圖5b至圖5f為短軸逐漸減小的橢圓形線截面布置示意圖，圖5b至圖5f也表示漸縮孔10-2由階梯凹模10的大口向小口布置的順序圖。圖7代表了階梯凹模10的漸縮孔10-2的各個截面中間部分不與薄板15接觸脹形得到的板材，圖9為對應圖7不連續接觸下的多段線性加載應力路徑示意圖；圖8代表了階梯凹模10的漸縮孔10-2的各個截面連續與薄板15接觸脹形得到的板材，圖10為對應圖8連續接觸下的連續非線性加載應力路徑示意圖，圖9和圖10的橫縱坐標均為應力(橫向和縱向應力，單位為Mpa)。圖6為采用階梯凹模脹形得到的最終板材。步驟二中薄板15放置時的方向，對于各向異性的薄板15，放置方向不同時采用同一階梯凹模10可以產生不同的應力加載路徑。步驟三和步驟四中的壓力介質為液壓油或乳化液。采用多個具有不同截面形狀的階梯凹模進行脹形測試，獲得薄板在不同復雜加載條件下變形的應力應變信息，根據獲得的變形過程的應力應變信息和破裂時的應力應變信息繪制薄板在復雜加載條件下的應力成形極限圖和應變成形極限圖。

本發明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可以利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術方案范圍。