一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法与流程

本发明涉及一种管材成形性能的测试方法，具体涉及一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法。

背景技术：

在航空航天以及汽车工业中，为减轻结构重量、提高结构可靠性，迫切需要采用整体构件代替传统的由多个简单零件组装拼焊的构件。空心封闭截面零件是整体构件中的重要一类，其主要采用原始较为简单的薄壁筒坯或管坯制造而成。从简单坯料成形为最终复杂零件，坯料将经历复杂的变形过程。坯料上某一个区域的受力状态及应力状态将在整个变形过程中不断变化。

众所周知，材料在不同的受力状态和应力状态下变形时，会表现出不同的成形性能。例如，材料在单向拉伸至断裂时的极限延伸率与胀形至破裂时某方向的极限伸长率会有明显差别。为了描述材料在不同应力状态下的成形性能或极限变形能力，通常需采用相应的实验方法来使材料在某种特定条件下发生变形直至破坏，从而获得这种条件下的极限应变。通过改变材料变形条件并进行相应的测试，可获得不同变形条件下的极限应变，利用这些极限应变可以确定通常所说的成形极限图(forming limit diagram)。需要指出的是，传统的成形极限图中的每一个数据点，只对应某一固定变形条件或线性加载路径。这种采用固定变形条件或线性加载路径确定的成形极限图已被广泛用于表征和评价材料的成形性能。但是，这种成形极限图只能用于表示理想或者固定的变形条件下的成形性能。如果从变形初始至最终破坏时材料的变形条件或加载路径不断发生变化，那么这种传统的成形极限图将不再适用。

近来，出现了采用管材自由胀形实验来模拟真实的管材胀形成形过程，并利用自由胀形最终破裂时的极限应变来表征管材成形极限的方法。自由胀形时管材在轴向和环向都受拉力的条件下发生变形，而且在变形过程中管材轴向应力和环向应力的比值(即应力状态)是不断变化的，这种变化与实际管材胀形成形过程类似，因此利用这种方法确定的极限应变可以更好地对实际胀形成形进行指导，特别是用于判断材料的成形性能能否满足零件成形的需要。目前，自由胀形实验作为一种直接测试和评价管材成形性能特别是胀形性能的实验方法，已经得到了广泛认可和实际应用。管材胀形破裂后的极限胀形系数(管材直径的最大变化量与初始直径的比值)、胀破压力、胀破时的极限应变常被用作评价管材成形性能的指标。然而，现有的管材自由胀形过程中，中间胀形区的管材长度基本保持不变，该 区域材料的应力状态虽然也会发生一定程度的变化，但是这种变化完全由中间胀形区管材的长度决定。因此，通过这种固定胀形区长度的自由胀形实验，只能获得某些简单变化或某些特定的应力路径下的成形性能，并不能获得更一般的复杂应力路径下的成形极限，也就无法对上述的复杂整体构件的成形提供准确有效的指导。为了准确获得管材在复杂成形条件下的成形性能，需要一种能够使管材在更一般且可控的复杂加载路径下变形的实验方法。

技术实现要素：

本发明是为解决传统的固定应力状态下线性加载路径的测试方法以及近来出现的自由胀形实验方法都无法使管材按照复杂加载路径进行变形，因而无法得到复杂加载路径下管材成形性能的问题，进而提出一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

方案一：一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、模具制作：根据实际需要设计并加工具有特定的胀形约束区形状和长径比变化的管材胀形模具；

步骤二、试样制备：按照实验需要截取一定长度管材试样，并将管材试样表面清洗干净；

步骤三、安装固定：将胀形模具固定在一个测试平台上，调整管材试样的位置，并在管材试样外表面中间胀形区点M处粘贴应变片，连接应变片和应变仪以测量点M处的应变，将粘贴应变的管材试样装入所述胀形模具中；

步骤四、管材密封：采用相应的密封方式将待测管材试样两端密封，高压源将高压流体介质通过密封后的管材试样的一端充入管材试样内部，压力传感器的探头插装在密封后的管材试样的另一端，所述高压源、所述应变仪和所述压力传感器均连接分析测试系统；

步骤五、胀形测试：向步骤四的管材试样内逐渐充入高压流体介质，管材试样在胀形内压P和胀形模具的共同作用下发生胀形直至破裂，记录胀形过程中的胀形内压P的变化、胀形区最高点M处的轴向应变以及环向应变；

步骤六、数据分析：通过分析测试系统处理上述实验数据可以得到管材试样在这一加载路径下的胀破压力以及极限应变成形性能参数。

方案二：一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、模具制作：根据实际需要设计并加工具有特定的胀形约束区形状和长径比变化的管材胀形模具；

步骤二、试样制备：按照实验需要截取一定长度管材试样，并将管材试样表面清洗干 净；

步骤三、安装固定：将胀形模具固定在一个测试平台上，调整管材试样的位置，并在管材试样外表面中间胀形区点M周围喷涂一层随机分布的散斑，将喷有散斑的管材试样装入所述胀形模具中，并使点M正对CCD相机，应变分析系统与所述CCD相机连接；

步骤四、管材密封：采用相应的密封方式将待测管材试样两端密封，高压源将高压流体介质通过密封后的管材试样的一端充入管材试样内部，压力传感器的探头插装在密封后的管材试样的另一端，所述高压源、应变分析系统和所述压力传感器均连接分析测试系统；

步骤五、胀形测试：向步骤四的管材试样内逐渐充入高压流体介质，管材试样在内压P和胀形模具的共同作用下发生胀形直至破裂，记录胀形过程中胀形压力P变化值、胀形区最高点M处的轴向应变以及环向应变；

步骤六、数据分析：通过分析测试系统处理上述实验数据可以得到管材试样在这一加载路径下的胀破压力以及极限应变成形性能参数。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能够实现复杂加载路径下管材的胀形实验，并获得管材在复杂加载路径下的成形性能，解决了传统的成形极限图仅适用于描述线性加载路径下材料成形性能的问题；

(2)本发明采用管材胀形实验测试材料的成形性能，与实际管材胀形成形过程类似，可以更好的对实际胀形成形进行指导；

(3)本发明依靠胀形模具的形状控制管材胀形过程中的长径比变化，实现预先设定的复杂加载路径，解决了管材自由胀形实验只能获得某些简单变化的加载路径下的成形性能的问题；

(4)本发明使用一系列不同形状的胀形模具进行管材胀形测试，获得一系列不同复杂加载路径下的管材性能，从而更为全面地反映不同成形工艺下管材的实际成形性能，便于确定合理的成形工艺；

(5)本发明通过选择合适的流体介质能够实现不同温度条件下管材的成形性能胀形测试。其中液体介质适用于常温成形性能测试，气体介质适用于高温成形性能测试；

(6)本发明对实验装置要求不高，不需要复杂的双向应力闭环控制系统和联动机械装置，胀形实验操作简单易于实现。

附图说明

图1是方案一采用应变片作应变测量方法测试复杂加载路径下管材成形性能的胀形实验示意图，图2是方案二采用非接触式应变测量方法测试复杂加载路径下管材成形性能的胀形实验示意图，图3为未胀形时管材试样和胀形模具布置结构示意图，图4为采用锥形 冲头密封胀形过程中管材试样和胀形模具布置结构示意图，图5为胀形过程中管材试样和一般曲线胀形约束区结构示意图，图6为采用焊接封头密封胀形过程中管材试样和胀形模具布置结构示意图，图7是采用密封芯棒和密封圈密封胀形过程中管材试样和胀形模具布置结构示意图。

其中，1为锥形冲头、2为胀形模具、3为管材试样、4为应变片、5为应变仪、6为压力传感器、7为分析测试系统、8为高压源、9为CCD相机、10为应变分析系统、11为焊接封头、12为密封芯棒、13为密封圈。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明依据的基本原理是：研究证明，管材自由胀形时其中间胀形区位置在某个时刻的应力状态，主要由该时刻处于完全自由状态的管坯长度决定。将处于自由状态的管坯长度与约束端管坯直径的比值定义为长径比，则长径比的变化将直接影响中间胀形区的应力状态。如果在胀形过程中对胀形区管坯的长径比进行调整或控制，则可以改变管材胀形时的应力状态。本发明正是基于这一原理而提出，即通过控制或调整管材胀形过程中的长径比来实现预先设定的复杂加载路径。这就为测试一般的复杂加载路径下管材的成形极限提供了可能。

本发明中使用的胀形模具结构如图3所示。根据作用的不同，可以将胀形模具分为管材固定区和胀形约束区。其中，管材固定区的内径d比管材试样外径D₀略大或d＝D₀，其作用是固定管材试样。胀形约束区呈喇叭形，其作用是约束管材试样胀形时的外表面轮廓。胀形测试时，管材试样在内压P和胀形模具的共同作用下发生胀形，管材试样外表面逐渐贴靠模具的胀形约束区，贴靠部分的管材受到模具约束不再发生胀形。随着胀形程度的增加，管材胀形区长径比逐渐减小，如图4中所示的长径比λ₁＝l₁/D₁小于图3中所示的长径比λ₀＝l₀/D₀。如图5所示，胀形模具2的胀形约束区的轴向的开口角度θ不同或者胀形约束区的轮廓曲线不同，管材胀形区长径比的变化过程也不同。因此，将胀形约束区设计成不同的形状可以得到不同的长径比变化过程。设计胀形模具形状时，根据实际需要确定加载路径，然后根据长径比与应力状态和加载路径的关系确定长径比的变化过程，最后将长径比的变化反映到胀形模具上。在具有特定形状的胀形模具内胀形时，管材试样就会按照预先设计的复杂加载路径下发生胀形。因此，应用本发明能够准确获得管材在特定复杂加载路径下的成形性能。如果设计加工一系列胀形模具并进行多次胀形实验测试，则可以完成一系列加载路径下管材性能的测试，从而更加全面和准确的评价管材的成形性能。

结合图1说明，在一个实施例中，一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法是按 照以下步骤实现的：

步骤一、模具制作：根据实际需要设计并加工具有特定的胀形约束区形状和长径比变化的管材胀形模具2；

步骤二、试样制备：按照实验需要截取一定长度管材试样3，并将管材试样3表面清洗干净；

步骤三、安装固定：将胀形模具2固定在一个测试平台上，调整管材试样3的位置，并在管材试样3外表面中间胀形区点M处粘贴应变片4，连接应变片4和应变仪5以测量点M处的应变，将粘贴应变片4的管材试样3装入所述胀形模具2中；

步骤四、管材密封：采用相应的密封方式将待测管材试样3两端密封，高压源8将高压流体介质通过密封后的管材试样3的一端充入管材试样3内部，压力传感器6的探头插装在密封后的管材试样3的另一端，所述高压源8、所述应变仪5和所述压力传感器6均连接分析测试系统7；

步骤五、胀形测试：向步骤四的管材试样3内逐渐充入高压流体介质，管材试样3在胀形内压P和胀形模具2的共同作用下发生胀形直至破裂，记录胀形过程中的胀形内压P的变化、胀形区最高点M处的轴向应变以及环向应变；

步骤六、数据分析：通过分析测试系统7处理上述实验数据可以得到管材试样3在这一加载路径下的胀破压力以及极限应变成形性能参数。步骤二中将管材试样3表面清洗干净是为了以方便应变测量，步骤四中管材试样3两端密封防止胀形时高压流体介质泄露造成内压P不足。分析测试系统为哈尔滨工业大学已开发出的THF.HIT-160/110-A的改进，具有数据交换接口。已有专利：ZL200910071699.X，ZL201210584492.4，软件著作权：管材力学性能的液压胀形法分析测试软件，登记号：2013SR108454；金属热态气压成形系统超高压气源压力精确控制软件，登记号：2016SR180392。

结合图1和图3-图5说明，优选地，本实施例中密封方式为锥形冲头刚性密封，应变测量方式为应变片测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。

具体是通过以下步骤实施的：

步骤一、模具制作：根据实际需要设计并加工具有特定的胀形约束区形状和长径比变化过程的胀形模具2。

步骤二、试样制备：假设管材试样3外径为D₀，初始长径比为λ₀，胀形模具2对应的胀形角为θ。

胀形模具2对应的管材固定区长s，管材试样3端部密封需要长s’，那么管材胀形区 初始长度l₀＝D₀λ₀，管材试样3的长度L＝l₀+2s+2s’。按长度L截取管材试样3，并将管材试样3表面清洗干净。

步骤三、安装固定：在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M处粘贴应变片4，连接应变片4和应变仪5以测量点M处的应变。将胀形模具2固定在一个测试平台上，将管材试样3装入胀形模具2中，调整管材试样3的位置以便于中间胀形区点M处应变的测量。连接高压源8和一侧的锥形冲头1上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的锥形冲头1上的孔以方便测量压力P。

步骤四、管材密封：将两个锥形冲头1分别顶入管材试样3的两端，在轴向推力的作用下锥形冲头1将管材试样3两端进行扩口并将扩口部分紧紧压在锥形冲头1和胀形模具2之间，从而实现管材试样3的端部密封。

步骤五、胀形测试：通过高压源8向管材试样3中逐渐充入高压流体介质，直至管材试样3发生破裂。随着内压P的不断升高管材试样3发生塑性变形，管材试样3的外表面逐渐贴靠在胀形模具2的胀形约束区，贴靠部分的管材受到约束不再发生胀形。随着胀形程度的增加，管材胀形区长径比逐渐减小。记录胀形测试过程中的实验数据，包括：胀形压力P、轴向应变以及环向应变等。

步骤六、数据分析：通过处理上述实验数据可以得到管材试样在这一加载路径下的极限胀形系数、胀破压力以及极限应变成形性能参数。通过多次胀形测试实验，可以获得一系列加载路径下管材的成形性能参数，对管材的成形性能作出综合评价。

结合图1和图6说明，优选地，本实施例中管材试样3的密封方式采用焊接封头密封，应变测量方式为应变片测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。采用焊接封头密封方式的优势在于：焊接结构省去了推动锥形冲头1的机械结构，胀形实验装置得到简化。

管材密封：在管材试样3两端各焊接一个焊接封头11，焊接好后将焊接接头打磨平整。

安装固定：将管材试样3表面清洗干净，在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M处粘贴上应变片4，连接应变片4和应变仪5以测量点M处的应变。连接高压源8和一侧的焊接封头11上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的焊接封头11上的孔以方便测量压力P。将贴有应变片4的管材试样3按照图6所示结构装入设计加工好的胀形模具2内，胀形模具2固定在一个实验平台上，防止胀形时胀形模具2发生移动影响胀形测试结果。

胀形测试：通过高压源8向管材试样3中逐渐充入高压流体介质，直至管材试样3发生破裂。随着内压P的不断升高管材试样3发生塑性变形，管材试样3的外表面逐渐贴靠 在胀形模具2的胀形约束区，贴靠部分的管材受到约束不再发生胀形。随着胀形程度的增加，管材胀形区长径比λ逐渐减小。记录胀形测试过程中的实验数据，包括：胀形压力P、胀形高度h、轴向应变以及环向应变等。

数据分析：通过处理上述实验数据可以得到管材试样在这一加载路径下的极限胀形系数、胀破压力以及极限应变等成形性能参数。通过多次胀形测试实验，可以获得一系列加载路径下管材的成形性能参数，对管材的成形性能作出综合评价。

结合图1和图7说明，优选地，本实施例中管材试样3的密封方式采用密封圈和密封芯棒组合方式，应变测量方式为应变片测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。采用密封圈密封方式的优势在于：密封方式简单可靠，易于实现。

管材密封：在密封前将适当大小的密封圈13套入密封芯棒12的凹槽内，密封时将套有密封圈13的密封芯棒12插入管材试样3，从而实现管材试样3的端部密封。

安装固定：将管材试样3表面清洗干净，在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M处粘贴上应变片4，连接应变片4和应变仪5以测量点M处的应变。连接高压源8和一侧的密封芯棒13上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的密封芯棒13上的孔以方便测量压力P。将贴有应变片4的管材试样3按照图7所示结构装入设计加工好的胀形模具2内，胀形模具2固定在一个实验平台上，防止胀形时胀形模具2发生移动影响胀形测试结果。

胀形测试：通过高压源8向管材试样3中逐渐充入高压流体介质，直至管材试样3发生破裂。随着内压P的不断升高管材试样3发生塑性变形，管材试样3的外表面逐渐贴靠在胀形模具2的胀形约束区，贴靠部分的管材受到约束不再发生胀形。随着胀形程度的增加，管材胀形区长径比λ逐渐减小。记录胀形测试过程中的实验数据，包括：胀形压力P、轴向应变以及环向应变等。

数据分析：通过处理上述实验数据可以得到管材试样在这一加载路径下的极限胀形系数、胀破压力以及极限应变等成形性能参数。通过多次胀形测试实验，可以获得一系列加载路径下管材的成形性能参数，对管材的成形性能作出综合评价。

如图2说明，在另一个实施例中，一种测试复杂加载路径下管材成形性能的方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、模具制作：根据实际需要设计并加工具有特定的胀形约束区形状和长径比变化的管材胀形模具2；

步骤二、试样制备：按照实验需要截取一定长度管材试样3，并将管材试样3表面清洗 干净；

步骤三、安装固定：将胀形模具2固定在一个测试平台上，调整管材试样3的位置，并在管材试样3外表面中间胀形区点M周围喷涂一层随机分布的散斑，将喷有散斑的管材试样3装入所述胀形模具2中，并使点M正对CCD相机9，应变分析系统10与所述CCD相机9连接；

步骤四、管材密封：采用相应的密封方式将管材试样3两端密封，高压源8将高压流体介质通过密封后的管材试样3的一端充入管材试样3内部，压力传感器6的探头插装在密封后的管材试样3的另一端，所述高压源8、应变分析系统10和所述压力传感器6均连接分析测试系统；

步骤五、胀形测试：向步骤四的管材试样3内逐渐充入高压流体介质，管材试样3在内压P和胀形模具2的共同作用下发生胀形直至破裂，记录胀形过程中胀形压力P变化值、胀形区最高点处的轴向应变以及环向应变；

步骤六、数据分析：通过分析测试系统7处理上述实验数据可以得到管材试样3在这一加载路径下的胀破压力以及极限应变成形性能参数。

步骤二中将管材试样3表面清洗干净是为了以方便应变测量，步骤四中管材试样3两端密封防止胀形时高压流体介质泄露造成内压P不足。步骤三中散斑状态随着胀形程度的变化而变化，CCD相机9可以捕捉到散斑变化并将数据传送给应变分析系统10，进而分析出管材试样3胀形过程中中间点M处的应变。

本实施例中，应变分析系统10优先选用西安交通大学的XTDIC三维光学散斑系统。XTDIC系统是一种光学非接触式三维变形测量系统，用于物体表面形貌、位移以及应变的测量和分析，并得到三维应变场数据，测量结果直观显示。XTDIC系统结合数字图像相关技术(DIC)与双目立体视觉技术，通过设置种子点，追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。CCD相机由XTDIC系统配套，通用产品无特殊要求。应变分析系统可以将测得的应变数据通过网络协议(或其他传输协议)传送到分析测试系统中。

结合图2和图3-图5说明，优选地，本实施例中密封方式为锥形冲头刚性密封，应变测量方式为非接触式应变测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。

安装固定：在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M周围的一定范围内喷涂一层随机分布的斑点(散斑)。将喷有散斑的管材试样3按照图3所示结构装入设计加工好的胀形模具2内，并使点M正对CCD相机9。胀形模具2固定在一个实验平台上，防止胀形时 胀形模具2发生移动影响胀形测试结果。连接高压源8和一侧的锥形冲头1上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的锥形冲头1上的孔以方便测量压力P。散斑状态随着胀形程度的变化而变化，CCD相机9可以捕捉到散斑变化并将数据传送给应变分析系统10，进而分析出管材试样3胀形过程中中间点M处的应变。

结合图2和图6说明，优选地，本实施例中密封方式采用焊接封头方式，应变测量方式为非接触式应变测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。采用焊接封头密封方式的优势在于：焊接结构省去了推动锥形冲头1的机械结构，胀形实验装置得到简化。

安装固定：在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M周围的一定范围内喷涂一层散斑。将喷有散斑的管材试样3按照图4所示结构装入设计加工好的胀形模具2内，并使点M正对非接触式应变式的CCD相机9。胀形模具2固定在一个实验平台上，防止胀形时胀形模具2发生移动影响胀形测试结果。连接高压源8和一侧的焊接封头11上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的焊接封头11上的孔以方便测量压力P。

结合图2和图7说明，优选地，本实施例中密封方式采用密封圈和密封芯棒组合方式，应变测量方式为非接触式应变测量，高压流体介质为液体或气体。采用气体介质的优势在于：气体介质适用于测试高温下管材的成形性能。采用密封圈密封方式的优势在于：密封方式简单可靠，易于实现。

安装固定：在管材试样3外表面沿轴向的中间部位即点M周围的一定范围内喷涂一层散斑。将喷有散斑的管材试样3按照图5所示结构装入设计加工好的胀形模具2内，并使点M正对非接触式应变分析测量系统的CCD相机9。胀形模具2固定在一个实验平台上，防止胀形时胀形模具2发生移动影响胀形测试结果。连接高压源8和一侧的密封芯棒12上的孔以方便充入高压流体介质。连接压力传感器6和另一侧的密封芯棒12上的孔以方便测量压力P。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。