一种薄壁管双向应力状态应力应变测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种薄壁管应力应变信息的测量装置及方法，具体涉及一种薄壁管双向应力状态时应力应变信息的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着有限元技术和计算机技术日益成熟，材料塑性成形过程的有限元模拟已经成为评估板材和管材成形性能和模具工艺设计方案优劣的有效工具。伴随着我国汽车和航空宇航制造业的快速发展，在对形状复杂的零件需求日趋旺盛的同时，其对产品的品质要求也越来越高，因此，对有限元分析技术预测成形过程的准确性的要求随之提高。为尽可能获得接近实际成形过程的模拟结果，需要获得材料变形时多种应力状态条件下的应力应变信息。
[0003]采用单向拉伸试验可以测得材料的应力应变信息用于评价材料的综合性能和用于有限元软件模拟。而实际上板材和管材料在变形时经历了复杂的变形过程，通过单向拉伸试验获得的应力应变信息不足以准确描述板材和管材的变形行为和特点，因此需要获得双向应力状态下的应力应变信息从而更好地对材料的综合性能进行评价及运用有限元软件更精确地模拟实际成形过程。对于板材可以采用板材液压胀形、十字拉伸法等试验获得双向应力状态下材料的应力应变信息。而对于薄壁管材可以通过向管材内部充入一定压力的压力介质并在管材端部施加轴向拉力或轴向压力以实现管材在双向应力状态下变形。但是现有的试验装置和方法施加在管材端部的压力或拉力是通过液压缸产生的，实验过程中轴向作用力响应较慢，不能实现应力路径精确可控，且应变测量采用的是应变片或球径仪等，不能测量变形量大的情况或不能精确测量应变值。
[0004]为了获得薄壁管材变形过程中的精确应力应变信息，需要建立一种薄壁管材双向应力状态时应力应变信息的测量装置及方法。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决现有的装置和方法不能实现薄壁管在双向应力状态条件下应力路径精确可控和应变信息精确测量，无法获得薄壁管双向应力状态时精确的应力应变信息的问题，进而提出一种薄壁管双向应力状态应力应变测量装置及方法。
[0006]本发明为了解决上述问题所采取的技术方案是:
[0007]本发明的一种薄壁管双向应力状态应力应变测量装置，它包括底座、应变片、活动横梁、栗站、油压增压器、力传感器、压力传感器、控制系统、两个上夹头、两个下夹头、两个丝杠副和两个电机；
[0008]底座上并列安装有两个电机，两个电机的轴向竖向设置，每个电机的输出端固装有一个丝杠副，活动横梁水平穿设在两个丝杠副上并与两个丝杠副的丝母固接，力传感器安装在活动横梁的下表面上，力传感器通过连接杆与两个上夹头连接，底座通过连接杆与两个下夹头连接，两个上夹头和两个下夹头分别用于夹装薄壁管的两端；
[0009]薄壁管外壁中间位置沿轴向和环向分别贴装有应变片，栗站的出口通过电液伺服阀与油压增压器连通，油压增压器通过管路与薄壁管的下端连通，油压增压器的出口安装有用于检测薄壁管内部介质压力的压力传感器；应变片的应变信号输出端与控制系统的应变信号输入端连接，压力传感器的压力信号输出端与控制系统的压力信号输入端连接，控制系统用于控制电机的启停及电液伺服阀的开度。
[0010]一种薄壁管双向应力状态应力应变测量装置，它包括底座、应变片、活动横梁、栗站、油压增压器、力传感器、压力传感器、控制系统、活动台架、固定台架、两个丝杠副和两个电机；
[0011]底座上并列安装有两个电机，两个电机的轴向竖向设置，每个电机的输出端固装有一个丝杠副，活动横梁水平穿设在两个丝杠副上并与两个丝杠副的丝母固接，活动台架包括活动上平板、活动下平板和两个活动拉杆；固定台架包括固定上平板、固定下平板和两个固定拉杆；活动上平板、固定上平板、活动下平板和固定下平板由上至下依次设置，活动上平板和活动下平板通过竖向滑动安装在固定上平板上的两个活动拉杆连接，固定上平板和固定下平板通过两个固定拉杆连接；底座通过连接杆与固定下平板连接，力传感器安装在活动横梁的下表面上，活动上平板通过连接杆与力传感器连接，固定下平板下表面和活动下平板上表面之间用于安装薄壁管；
[0012]薄壁管外壁中间位置沿轴向和环向分别贴装有应变片，栗站的出口通过电液伺服阀与油压增压器连通，油压增压器通过管路与薄壁管的下端连通，油压增压器的出口安装有用于检测薄壁管内部介质压力的压力传感器；应变片的应变信号输出端与控制系统的应变信号输入端连接，压力传感器的压力信号输出端与控制系统的压力信号输入端连接，控制系统用于控制电机的启停及电液伺服阀的开度。
[0013]一种薄壁管双向应力状态应力应变测量方法是按照以下步骤进行的:
[0014]步骤一、选取加工好的薄壁管；
[0015]步骤二、将薄壁管两端分别与两个上夹头及两个下夹头连接或活动上平板及固定下平板相连接，对薄壁管两端进行密封；
[0016]步骤三、控制系统控制电机工作，电机与丝杆传动连接，电机带动丝杆转动，丝杆转动带动活动横梁远离底座的方向运动，使得薄壁管受到轴向拉力或压力作用；
[0017]栗站驱动增压器动作，控制系统控制伺服阀实现栗站的输出液压油的压力和体积变化来控制增压器输出压力介质的压力，从而实现向薄壁管内部充入给定值的压力介质；
[0018]步骤四、力传感器收集薄壁管所受到的轴向拉力或轴向压力信息，压力传感器收集薄壁管内部压力介质的压力信息，薄壁管外壁中间位置沿轴向和环向贴装有应变片，应变片收集薄壁管的应变信息；上述信息传入到控制系统进过分析处理得到薄壁管轴线方向和薄壁管环向的应力应变信息，通过与设定的应力值比较，如果轴向应力值大于设定的应力值则控制系统控制电机停止转动，同时通过控制增压器向薄壁管内部补充一定的压力介质，如果薄壁管环向应力值大于设定的应力值则控制系统控制电液伺服阀实现增压器停止向薄壁管内部补充压力介质，同时控制电机转动使得活动横梁向远离底座方向运动，从而增加薄壁管的轴向压力或轴向拉力，使得薄壁管的受力状态按预先设定的线路进行；
[0019]步骤五、直至薄壁管发生破裂，保存实验数据，拆下实验用薄壁管。
[0020]本发明的有益效果是:[0021 ] 一、本发明所述的装置的控制系统可以控制伺服电机带动滚珠丝杆运动从而让活动横梁运动，机械传动结构可以实现对管材端部施加作用力的快速响应，通过精密电液伺服阀及增压器可以控制管材内部压力介质的压力，并采用高精度的力传感器、高精度的压力传感器可以实现快速反馈以实现管材应力应变按照预先设定的值进行变形，即管材的应力应变可以精确地控制，压力传感器精度:0.125% FS，量程0-40Mpa ;力传感器精度:0.01% FS，量程 0-200KN。
[0022]二、本发明所述的装置采用应变片可以精确测量小变形时的应变信息，采用散斑测量系统可以精确的测量出管材变形时的变形区全场应变信息和管材的几何信息，所得管材几何信息直接用于计算应力管材应力信息，不需要通过应变信息转换出管材几何信息；此外，将应变片测量和散斑测量系统相结合可以实现管材变形过程中全程应变的精确测量，应变测量范围更大，散斑测量系统:测量范围小于等于1000%，精度小于35微应变。
[0023]三、本发明采用一个机械装置将活动横梁通过上夹头的拉力转换成对管材施加轴向的压力作用，从而实现不改变原有的控制方式的情况下扩大管材的应力变化范围，结构简单容易实施，使用方便。
【附图说明】
[0024]图1为本发明方案一的薄壁管双向应力状态应力应变测量装置的结构示意图，图2为本发明方案二的薄壁管双向应力应变状态应力应变测量装置的结构示意图，图3为方案一采用散斑应变测量的应力应变测量装置的结构示意图，图4为方案一采用散斑应变测量和应变片相结合的应力应变测量装置的结构示意图，图5为方案二采用散斑应变测量的应力应变测量装置的示意图，图6为方案二采用散斑应变测量和应变片相结合的应力应变测量装置的结构示意图，图7为含有芯棒的薄壁管夹持密封的示意图，图8为采用约束环和锥面拉杆的薄壁管夹持密封的示意图，图9为增压器工作示意图；
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