一种可调法向约束的金属薄板失稳起皱测试与评估装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄板塑性加工技术领域，具体是一种用于测试复杂边界条件下金属薄板失稳起皱的测试与评估装置。
【背景技术】
[0002]目前，在航空、航天、航海和汽车等制造领域，薄壁轻量化零件的应用越来越广泛。而结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、边界条件和加载形式等因素有关，这类薄壁结构的零件由于其非常小的径厚比(薄壁管D/t > 20)、宽厚比(薄板L/t > 50)，因此其抗弯刚度非常小。而且，薄壁轻量化零件在加工成形过程中一般都需要经历复杂的多模具约束(复杂边界条件)，易产生不规则且大小实时变化的面内压应力。这些局部分布的压应力和较小的抗弯刚度极易导致薄壁类零件在成形过程中发生失稳起皱。这一失稳现象是影响薄壁件成形的主要缺陷和障碍，决定着此类产品成形潜力大小，并严重影响着零件的成形质量、精度、模具的寿命及后续工序的完成。特别是一些需要严格限制变形的薄壁件，如用于飞机生产的液压、燃油、环控等系统的高装配精度的轻量化弯管件，经锥辊碾乳成形的螺旋叶片和高精度控制的薄壁旋压件等。因此，设计一种复杂多边界条件下薄壁件失稳起皱测试与评估装置，研究失稳起皱的规律和机理，对于薄壁轻量化零件的精确塑性加工显得极为突出和迫切。
[0003]试验研究在探索起皱的起因、形成及消除时起着至关重要的作用。通过优化设计先进的分析测试装备，可以直接获得实际结构在真实载荷作用下屈曲过程中的数据，从而有效准确地研究失稳起皱发生和发展过程，获得关键参数对失稳起皱的影响规律，了解薄板零件的成形性能并指导实际生产过程。上世纪八十年代日本学者吉田青太(Yoshida)提出方板对角拉伸试验YBT(Yoshida buckling test)用于研究板材的抗皱问题。在该起皱试验中，金属薄板沿一个对角线方向拉伸，在拉伸过程中，由于外部刚性区域的几何约束，沿纵向的拉伸变形导致薄板中部区域将会出现一个沿横向分布的压应力区域。这样一来，诱发的压应力就可以让金属薄板极易产生失稳起皱现象。这一 YBT试验技术也因此成为应用最为广泛的起皱模拟试验技术，并已成为研究板料抗皱性能的标准试验。
[0004]但是YBT试验法只能获得板材在简单边界条件下的抗皱性能，不能考虑工件与模具的接触情况。而近年来大量薄壁轻量化零件的成形过程往往是在复杂边界条件下进行的，即涉及工件与多种模具之间的接触与约束，如数控绕弯成形中薄壁管外侧受到弯曲模、防皱模、夹块和压块的接触与约束，而内侧又受到芯棒和多芯球的接触与约束。复杂边界条件下的失稳规律和机制也不同于简单边界条件下的情况。
[0005]因此，在吉田起皱试验YBT基础上，国内外很多学者基于不同研究目的开发设计了几种改进的吉田起皱试验。例如，J.W.Yoon等人在Internat1nal Journal ofMechanical Sciences第528卷，1683-1714页上发表的Wrinkling initiat1n and growthin modified Yoshida buckling test:Finite element analysis and experimentalcomparison论文中通过改变试样几何参数考察了它们对失稳起皱的影响规律。R.Bouzidi等人在 Internat1nal Journal of Solids and Structures 第 528 卷，2459-2475 页上发表的 Experimental analysis on membrane wrinkling under biaxial load-Comparisonwith bifurcat1n analysis论文中采用双向拉应力的吉田试验研究了薄板多种失稳模式的演变历程和临界条件。在公开号为CN 200962083Y的专利中披露了一种金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置，以及在公开号为CN 201047825Y的专利中披露了一种金属薄板剪应力起皱试验用试样。该试验装置及试样主要用于研究金属薄板在剪应力状态下的失稳起皱行为，因此不适用于压应力作用下的失稳起皱规律研究，并没有考虑复杂的边界条件。Cao，J 等人在 CIRP Annals-Manufacturing Technology 第 56 卷，253-256 页上发表的Buckling of Sheet Metals in Contact with Tool Surfaces 论文中研究了吉田起皱试验在简支、固支等不同约束边界条件下的失稳起皱行为，但是仅限于夹持端的约束，而未考察金属薄板起皱面法向约束对失稳起皱的影响。众所周知，在多模具约束情况下，例如薄板两侧存在法向约束(固定间隙)，薄板在发生失稳后将很难继续沿着第二条分叉路径进一步发展。这是由于侧面的约束抑制了失稳起皱，如果压应力继续增大，薄板将产生第二次失稳，并沿着第三条分叉路径发展。这是一种更高阶的屈曲模态，因此需要的能量也较大。随着这种法向约束间隙的进一步减小，薄板失稳时将沿着次阶或更高阶的分叉路径发展。这时所消耗的变形能量将比低阶特征值模态消耗的变形能大，因此减小间隙，可以一定程度的抑制失稳起皱。但是该方法对失稳起皱的抑制效应有多大，怎么量化，以及间隙过小是否会抑制材料的塑性流动而发生断裂等问题还缺乏一致结论，因此迫切需要建立一种符合实际边界条件的物理模拟试验方法，实现薄壁零件在多模具约束下的失稳起皱物理模拟。
【发明内容】
[0006]为了克服目前多模具复杂约束下金属薄壁零件失稳现象难于控制的问题，建立更符合实际复杂边界约束条件的测试及分析方法，本发明提出一种可调法向约束的薄板抗起皱测试与评估装置。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:基准板、固定板、前间隙板、后间隙板、薄板试样压辊、导向定位套、夹紧支架、接板、夹紧杆、导向杆、手动顶紧螺栓、手动拉紧螺栓、测量块。基准板与固定板通过4个夹紧杆连接固定整个装置；前间隙板、后间隙板通过4个导向杆与基准板和固定板连接；试样位于前间隙板与后间隙板之间，夹紧支架、薄板试样压辊与导向定位套相互配合固定试样的夹持端；两个接板用于固定夹紧支架；手动顶紧螺栓与手动拉紧螺栓安装在基准板与固定板上，用于调整前、后间隙板与试样的法向距离；测量块固定在基准板与前间隙板上，用于安装数显百分表。
[0008]所述基准板，是带安装孔的平板，用于安装夹紧支架、导向定位套、测量块、手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装夹紧杆、导向杆、数显百分表、手动拉紧螺栓的孔为通孔；
[0009]所述固定板，是带安装孔的矩形板，通过与基准板相互配合调整固定整套装置，用于安装手动顶紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装夹紧杆、导向杆、手动拉紧螺栓的孔为通孔；
[0010]所述前间隙板，是带安装孔的平板，负责对试样施加法向约束，用于安装测量块、手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆、数显百分表的孔为通孔；
[0011]所述后间隙板，形状尺寸与前间隙板相同，用于安装手动拉紧螺栓的孔为螺纹孔，用于安装导向杆的孔为通孔；
[0012]所述夹紧支架，是带安装孔的U形框架，利用螺栓固定在基准板上，通过与导向定位套、薄板试样压辊相互配合固定试样的夹持端；
[0013]所述导向定位套，是带螺纹孔的矩形块，安装在基准板上；
[0014]所述薄板试样压辊，为一细长圆柱棒，安装于夹紧支架的通孔内；
[0015]所述接板，呈细长板状，两端带有螺纹孔，负责固定夹紧支架；
[0016]所述测量块，是一带安装孔的矩形块，分别安装在基准板与前间隙板上，两端的孔为螺纹孔用于固定测量块，数显百分表安装在测量块中央的通孔上，测量块侧方中央的螺纹孔用于安装内六角螺钉，防止数显百分表因滑动而使测量结果不准确；
[0017]所述夹紧杆，两端为带螺纹的细长螺栓，用于连接基准板与固定板；
[0018]所述导向杆，中间部分为光滑杆，两端带