一種可調法向約束的金屬薄板失穩起皺測試與評估裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄板塑性加工技術領域，具體是一種用于測試復雜邊界條件下金屬薄板失穩起皺的測試與評估裝置。
【背景技術】
[0002]目前，在航空、航天、航海和汽車等制造領域，薄壁輕量化零件的應用越來越廣泛。而結構的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件和加載形式等因素有關，這類薄壁結構的零件由于其非常小的徑厚比(薄壁管D/t > 20)、寬厚比(薄板L/t > 50)，因此其抗彎剛度非常小。而且，薄壁輕量化零件在加工成形過程中一般都需要經歷復雜的多模具約束(復雜邊界條件)，易產生不規則且大小實時變化的面內壓應力。這些局部分布的壓應力和較小的抗彎剛度極易導致薄壁類零件在成形過程中發生失穩起皺。這一失穩現象是影響薄壁件成形的主要缺陷和障礙，決定著此類產品成形潛力大小，并嚴重影響著零件的成形質量、精度、模具的壽命及后續工序的完成。特別是一些需要嚴格限制變形的薄壁件，如用于飛機生產的液壓、燃油、環控等系統的高裝配精度的輕量化彎管件，經錐輥碾乳成形的螺旋葉片和高精度控制的薄壁旋壓件等。因此，設計一種復雜多邊界條件下薄壁件失穩起皺測試與評估裝置，研究失穩起皺的規律和機理，對于薄壁輕量化零件的精確塑性加工顯得極為突出和迫切。
[0003]試驗研究在探索起皺的起因、形成及消除時起著至關重要的作用。通過優化設計先進的分析測試裝備，可以直接獲得實際結構在真實載荷作用下屈曲過程中的數據，從而有效準確地研究失穩起皺發生和發展過程，獲得關鍵參數對失穩起皺的影響規律，了解薄板零件的成形性能并指導實際生產過程。上世紀八十年代日本學者吉田青太(Yoshida)提出方板對角拉伸試驗YBT(Yoshida buckling test)用于研究板材的抗皺問題。在該起皺試驗中，金屬薄板沿一個對角線方向拉伸，在拉伸過程中，由于外部剛性區域的幾何約束，沿縱向的拉伸變形導致薄板中部區域將會出現一個沿橫向分布的壓應力區域。這樣一來，誘發的壓應力就可以讓金屬薄板極易產生失穩起皺現象。這一 YBT試驗技術也因此成為應用最為廣泛的起皺模擬試驗技術，并已成為研究板料抗皺性能的標準試驗。
[0004]但是YBT試驗法只能獲得板材在簡單邊界條件下的抗皺性能，不能考慮工件與模具的接觸情況。而近年來大量薄壁輕量化零件的成形過程往往是在復雜邊界條件下進行的，即涉及工件與多種模具之間的接觸與約束，如數控繞彎成形中薄壁管外側受到彎曲模、防皺模、夾塊和壓塊的接觸與約束，而內側又受到芯棒和多芯球的接觸與約束。復雜邊界條件下的失穩規律和機制也不同于簡單邊界條件下的情況。
[0005]因此，在吉田起皺試驗YBT基礎上，國內外很多學者基于不同研究目的開發設計了幾種改進的吉田起皺試驗。例如，J.W.Yoon等人在Internat1nal Journal ofMechanical Sciences第528卷，1683-1714頁上發表的Wrinkling initiat1n and growthin modified Yoshida buckling test:Finite element analysis and experimentalcomparison論文中通過改變試樣幾何參數考察了它們對失穩起皺的影響規律。R.Bouzidi等人在 Internat1nal Journal of Solids and Structures 第 528 卷，2459-2475 頁上發表的 Experimental analysis on membrane wrinkling under biaxial load-Comparisonwith bifurcat1n analysis論文中采用雙向拉應力的吉田試驗研究了薄板多種失穩模式的演變歷程和臨界條件。在公開號為CN 200962083Y的專利中披露了一種金屬薄板剪應力起皺試驗方法及試驗裝置，以及在公開號為CN 201047825Y的專利中披露了一種金屬薄板剪應力起皺試驗用試樣。該試驗裝置及試樣主要用于研究金屬薄板在剪應力狀態下的失穩起皺行為，因此不適用于壓應力作用下的失穩起皺規律研究，并沒有考慮復雜的邊界條件。Cao，J 等人在 CIRP Annals-Manufacturing Technology 第 56 卷，253-256 頁上發表的Buckling of Sheet Metals in Contact with Tool Surfaces 論文中研究了吉田起皺試驗在簡支、固支等不同約束邊界條件下的失穩起皺行為，但是僅限于夾持端的約束，而未考察金屬薄板起皺面法向約束對失穩起皺的影響。眾所周知，在多模具約束情況下，例如薄板兩側存在法向約束(固定間隙)，薄板在發生失穩后將很難繼續沿著第二條分叉路徑進一步發展。這是由于側面的約束抑制了失穩起皺，如果壓應力繼續增大，薄板將產生第二次失穩，并沿著第三條分叉路徑發展。這是一種更高階的屈曲模態，因此需要的能量也較大。隨著這種法向約束間隙的進一步減小，薄板失穩時將沿著次階或更高階的分叉路徑發展。這時所消耗的變形能量將比低階特征值模態消耗的變形能大，因此減小間隙，可以一定程度的抑制失穩起皺。但是該方法對失穩起皺的抑制效應有多大，怎么量化，以及間隙過小是否會抑制材料的塑性流動而發生斷裂等問題還缺乏一致結論，因此迫切需要建立一種符合實際邊界條件的物理模擬試驗方法，實現薄壁零件在多模具約束下的失穩起皺物理模擬。
【發明內容】
[0006]為了克服目前多模具復雜約束下金屬薄壁零件失穩現象難于控制的問題，建立更符合實際復雜邊界約束條件的測試及分析方法，本發明提出一種可調法向約束的薄板抗起皺測試與評估裝置。
[0007]本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括:基準板、固定板、前間隙板、后間隙板、薄板試樣壓輥、導向定位套、夾緊支架、接板、夾緊桿、導向桿、手動頂緊螺栓、手動拉緊螺栓、測量塊。基準板與固定板通過4個夾緊桿連接固定整個裝置；前間隙板、后間隙板通過4個導向桿與基準板和固定板連接；試樣位于前間隙板與后間隙板之間，夾緊支架、薄板試樣壓輥與導向定位套相互配合固定試樣的夾持端；兩個接板用于固定夾緊支架；手動頂緊螺栓與手動拉緊螺栓安裝在基準板與固定板上，用于調整前、后間隙板與試樣的法向距離；測量塊固定在基準板與前間隙板上，用于安裝數顯百分表。
[0008]所述基準板，是帶安裝孔的平板，用于安裝夾緊支架、導向定位套、測量塊、手動頂緊螺栓的孔為螺紋孔，用于安裝夾緊桿、導向桿、數顯百分表、手動拉緊螺栓的孔為通孔；
[0009]所述固定板，是帶安裝孔的矩形板，通過與基準板相互配合調整固定整套裝置，用于安裝手動頂緊螺栓的孔為螺紋孔，用于安裝夾緊桿、導向桿、手動拉緊螺栓的孔為通孔；
[0010]所述前間隙板，是帶安裝孔的平板，負責對試樣施加法向約束，用于安裝測量塊、手動拉緊螺栓的孔為螺紋孔，用于安裝導向桿、數顯百分表的孔為通孔；
[0011]所述后間隙板，形狀尺寸與前間隙板相同，用于安裝手動拉緊螺栓的孔為螺紋孔，用于安裝導向桿的孔為通孔；
[0012]所述夾緊支架，是帶安裝孔的U形框架，利用螺栓固定在基準板上，通過與導向定位套、薄板試樣壓輥相互配合固定試樣的夾持端；
[0013]所述導向定位套，是帶螺紋孔的矩形塊，安裝在基準板上；
[0014]所述薄板試樣壓輥，為一細長圓柱棒，安裝于夾緊支架的通孔內；
[0015]所述接板，呈細長板狀，兩端帶有螺紋孔，負責固定夾緊支架；
[0016]所述測量塊，是一帶安裝孔的矩形塊，分別安裝在基準板與前間隙板上，兩端的孔為螺紋孔用于固定測量塊，數顯百分表安裝在測量塊中央的通孔上，測量塊側方中央的螺紋孔用于安裝內六角螺釘，防止數顯百分表因滑動而使測量結果不準確；
[0017]所述夾緊桿，兩端為帶螺紋的細長螺栓，用于連接基準板與固定板；
[0018]所述導向桿，中間部分為光滑桿，兩端帶