一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法

1.本发明属于材料塑性成形领域，具体涉及一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法。


背景技术：

2.高应变速率可以提升金属板料的成形性能。研究金属板料在高应变率下不同变形路径的变形行为，对理论研究和工业生产有一定的积极意义。
3.目前，为获得金属板料复杂塑性变形行为及成形性能，大多采用准静态和中等速率下的加载实验(加载速率不超过2m/s)，在国际上有十字双向拉伸试验的标准，其实验目的是为了获得材料在双轴(即受力区域的横向和纵向均为拉力条件)实验条件下的应力-应变曲线，国际标准中使用实验设备为准静态条件，其工作原理是使用液压或电机伺服来拉动试样，加载速度难以达到高应变速率，准静态条件下的应变速率是0.001s-1
～0.1s-1
，但是高速变形条件下的应变速率可以达到1
×
103s-1
～1
×
104s-1
，国际标准在高应变速率下的实验还有一定的空白，且在汽车碰撞、子弹撞击、爆炸等领域，材料在接触瞬间的应变速率可达到1
×
104s-1
，而且材料在此高速变形条件下，变形行为会发生变化，准静态条件下的研究不足以支持研究。


技术实现要素：

4.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法，能够研究高速下的材料单向或双向拉伸的变形行为。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种十字形高速拉伸实验装置，包括模座、压边圈、中空凸模、十字形板料试样、压边块和压力机；
7.所述模座内设有凹槽，所述凹槽内设有平面螺旋线圈，所述平面螺旋线圈顶部设有驱动板，所述驱动板和所述平面螺旋线圈均与所述凹槽通过绝缘材料填充，所述平面螺旋线圈与充放电电路相连，所述充放电电路上设有电容，所述电容能够对所述平面螺旋线圈放电；
8.所述压边圈设在所述模座顶部，所述压边圈为中空结构，所述压边圈内设竖直方向上的滑槽，所述压边圈顶部设有十字形导轨；
9.所述中空凸模设在所述压边圈内且设在所述驱动板顶部，所述中空凸模上设有滑块，所述滑块设在所述滑槽内，所述滑块的高度小于所述滑槽的高度使得所述滑块能够在所述滑槽内上下移动，进而使得所述中空凸模在所述压边圈内上下移动，所述中空凸模顶部设有冲头；
10.所述十字形板料试样设在所述十字形导轨内，所述十字形板料试样包括四个向外伸出的直臂，所述冲头向上移动时能够冲击四个直臂；
11.一组或两组所述压边块设置在所述十字形导轨内且设在所述十字形板料试样顶
部，每组压边块包括两个相对的压边块，所述压边块能够在所述十字形导轨内移动，进而调整每组压边块间两个压边块的间距，以获得十字形板料试样不同的变形路径；
12.所述压力机设在所述压边块上，为所述压边块提供下压力。
13.进一步地，所述充放电电路包括主电路、第一支路和第二支路，所述主电路上设有电源、电阻和第一控制开关，电容设在所述第一支路上，所述第二支路上设置所述平面环形螺旋线圈和第二控制开关。
14.进一步地，所述十字形板料试样包括但不限于导电材料和非导电材料。
15.进一步地，所述冲头为矩形，所述冲头的每一边与一个直臂相对。
16.进一步地，所述冲头的顶部为圆弧形。
17.进一步地，所述压边圈内设有通孔，所述滑槽设在所述通孔底部，所述中空凸模设在所述通孔内。
18.进一步地，所述通孔为圆柱形，所述滑槽为圆柱形，所述中空凸模还包括连接部，所述连接部为圆筒状，所述连接部顶部设置冲头，底部设置滑块，所述连接部的外径略小于所述通孔的内径，所述滑块为圆柱状，所述滑块的外径略小于所述滑槽的内径。
19.进一步地，所述平面螺旋线圈设置成环形，所述驱动板为圆板状结构或圆环状结构。
20.进一步地，所述压边圈和所述十字形板料试样之间还设有垫片，所述垫片设在所述十字形导轨内且为矩形板状结构，调节所述垫片的厚度能够使所述中空凸模在冲击所述十字形板料试样的时候获得不同的初速度。
21.一种十字形高速拉伸实验方法，包括以下步骤：
22.步骤s1、在预先准备好的板材切割成十字形板料试样，并将十字形板料试样置于压边圈的十字形导轨中；
23.步骤s2、将一组或两组压边块放置在十字形板料试样的顶部，在十字形导轨中移动一组或两组压边块，调整每组压边块间两个压边块的间距，使一组或两组压边块移动至实验要求的位置上；
24.步骤s3、用压边块压紧十字形板料试样，并使用压力机施加一定的压力；
25.步骤s4、为电容充电，并由电容向平面螺旋线圈放电，驱动板被电磁力驱动从而使中空凸模冲击十字形板料试样，待十字形板料试样变形后，采集相应变形状况。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
27.1.本发明所述的一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法，通过充放电电路对电容充电，进而通过电容对平面螺旋线圈放电，驱动板带动中空凸模高速上升，使滑块能够在滑槽内高速上移，冲头冲击十字形板料试样，使十字形板料试样发生高速变形，且使十字形板料试样的应变速率达到1
×
103s-1～1
×
104s-1，采用电磁力驱动改进的中空凸模，冲击十字形板料试样的四个直臂，实现十字形板料试样中心区域的单向或双向的高速拉伸变形。
28.2.本发明所述的一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法，通过中空凸模设在压边圈内且设在驱动板顶部，中空凸模设在压边圈内且设在驱动板顶部，十字形板料试样设在压边圈顶部的十字形导轨内，使压边圈对中空凸模进行限位和对十字形板料试样进行定位，保证中空凸模能准确冲击十字形板料试样正中心，中空凸模可以让十字形板料试样中心只有横向和纵向两向的拉力。十字形双拉试验要求是中心变形区域只有两向拉力。
29.3.本发明所述的一种十字形高速拉伸实验装置及实验方法，压边块置于压边圈上方的十字形导轨内设在十字形板料试样顶部，通过滑动压边块在十字形导轨内不同的位置，可以达到控制十字形板料试样在四个力臂上有不同应变的目的，压边块上方使用压力机施压，为压边块提供一定的下压力，保证十字形板料试样在实验过程中不因凸模冲击而向中心流动。
附图说明
30.图1为本发明的整体结构示意图。
31.图2为本发明工作部分半剖示意图。
32.图3为本发明中空凸模剖切四分之一轴视图示意图。
33.图4为本发明压边圈和压边块轴测图。
34.图5为本发明平面螺旋线圈的结构示意图。
35.图6为本发明驱动板的结构示意图。
36.图7为本发明压边圈的剖视图。
37.图8为本发明十字形板料试样的直臂高速拉伸时的受力图。
38.图9为本发明十字形板料试样的结构示意图。
39.其中：1、压边块；2、十字形板料试样；21、直臂；3、垫片；4、中空凸模；41、滑块；42、连接部；43、冲头；5、压边圈；51、十字形导轨；52、通孔；53、滑槽；6、驱动板；7、平面螺旋线圈；8、绝缘材料；9、第二控制开关；10、第一控制开关；11、电源；12、电容；13、电阻；14、模座；141、凹槽。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
42.一种十字形高速拉伸实验装置，如图1-图9所示，包括模座14、压边圈5、中空凸模4、十字形板料试样2、压边块1和压力机。
43.模座14内设有凹槽141，凹槽141内设有平面螺旋线圈，平面螺旋线圈7顶部设有驱动板6，驱动板6采用导电材料制成，驱动板6和平面螺旋线圈7均与凹槽141通过绝缘材料8填充，平面螺旋线圈7与充放电电路相连，充放电电路上设有电容12，电容12能够对平面螺旋线圈7放电，通过设置绝缘材料8可以防止平面螺旋线圈7内的线圈相互影响。
44.压边圈5设在模座14顶部，压边圈5为中空结构，压边圈5内设有竖直方向上的滑槽
53，压边圈5顶部设有十字形导轨51。
45.中空凸模4设在压边圈5内且设在驱动板6顶部，中空凸模4上设有滑块41，滑块41设在滑槽53内，滑块41的高度小于滑槽53的高度使得滑块41能够在滑槽53内上下移动，进而使得中空凸模4在压边圈5内上下移动，中空凸模4顶部设有冲头43。
46.十字形板料试样2设在十字形导轨51内，十字形板料试样2包括四个直臂21，四个直臂21向外伸出，冲头43向上移动时能够冲击四个直臂21，使十字形板料试样2中心区域发生高速变形。
47.一组或两组压边块1设置在十字形导轨51内且设在十字形板料试样2顶部，每组压边块1包括两个相对的压边块1，压边块1能够在十字形导轨51内移动，进而调整每组压边块1间两个压边块1的间距，以获得十字形板料试样2不同的变形路径。
48.压力机设在压边块1上，为压边块1提供下压力，保证十字形板料试样2在实验过程中不因中空凸模4冲击而向中心流动。
49.其中，通过充放电电路对电容12充电，进而通过电容12对平面螺旋线圈7放电，驱动板6带动中空凸模4高速上升，使滑块41能够在滑槽53内高速上移，冲头43冲击十字形板料试样2，使十字形板料试样2发生高速变形。
50.本发明通过中空凸模4设在压边圈5内且设在驱动板6顶部，十字形板料试样2设在压边圈5顶部的十字形导轨51内，使压边圈5为中空凸模4进行限位和对十字形板料试样2进行定位，保证中空凸模4能准确冲击十字形板料试样2的四个直臂21，进行对十字形板料试样2的中心区域进行拉伸变形。
51.压边块1置于压边圈5上方的十字形导轨51内设在十字形板料试样2顶部，通过滑动压边块1在十字形导轨51内不同的位置，可以达到控制十字形板料试样2中心区域变形路径的目的，压边块1上方使用压力机施压，为压边块1提供一定的下压力，保证十字形板料试样2在实验过程中不因凸模冲击而向中心流动。
52.实验过程中，通过充放电电路对电容12充电，进而通过电容12对平面螺旋线圈7放电，驱动板6上形成与平面螺旋线圈7上电流相反的感应电流，从而使驱动板6带动中空凸模4上升，使中空凸模4上的滑块41在滑槽53内上下移动，使得中空凸模4在压边圈5内上下移动，矩形冲头43冲击十字形板料试样2，使十字形板料试样2发生变形，且使十字形板料试样2的应变速率达到1
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103s-1～1
×
104s-1。
53.且本发明为了对十字形板料试样2进行双向拉伸试验，设置了中空凸模4，中空凸模4可以让十字形板料试样2中心只有横向和纵向两向的拉力。十字形双拉试验要求是中心变形区域只有两向拉力，如果不设置中空凸模4，有接触会不符合实验要求。
54.本发明采用电磁力驱动改进的中空凸模4，冲击十字形板料试样2的四个直臂21，实现十字形板料试样2中心区域的双向高速拉伸变形。
55.本发明采用了压边块1固定十字形板料试样2，并且能够做到不改变十字形板料试样2设计的条件下，调节每组压边块1中两个压边块1的间距以获得不同的变形路径。
56.本发明进行第一次冲击加载后，通过调节每组压边块1中，两个压边块1之间的距离再进行第二次加载，可以实现非线性加载。
57.本发明中，如图1所示，充放电电路包括主电路、第一支路和第二支路，主电路上设有电源11、电阻13和第一控制开关10，电容12设在第一支路上，第二支路上设置平面环形螺
旋线圈和第二控制开关9。
58.在实验过程中，关闭第一控制开关10，打开第二控制开关9，对电容12充电；打开第一控制开关10，打开第二控制开关9，电容12对平面螺旋线圈7放电。
59.本发明中，十字形板料试样2包括但不限于导电材料和非导电材料，例如铝合金、不锈钢、碳纤维树脂复合材料和高分子材料等等。
60.本发明中，如图1-图3所示，冲头43为矩形，冲头43的每一边与一个直臂21相对，在实验过程中，中空凸模4顶部能够与十字形板料试样2直接接触，其目的是让十字形板料试样2中心产生单向或双向拉伸的力，而矩形的边恰好与十字形板料试样2匹配，直臂21上产生的均匀的拉力，改变形状会使直臂21上传递的力分布不均匀，影响实验效果。
61.本发明中，如图1-图3所示，矩形的冲头43的顶部为圆弧形。在使用刚性的中空凸模4冲击试样十字形板料试样2时，首先是中空凸模4顶部与试样接触，若矩形冲头43的顶部为矩形或非圆弧形，则会在试样与凸模接触的局部产生较大的应力集中，在较短的时间内达到甚至超过试样材料的强度极限，导致试样破裂，而在此过程中，真实的拉应力无法通过十字形试样直臂21传递，直臂21在传递在初期就发生了破坏，无法达到实验要求和实验目的。
62.本发明中，如图3和图7所示，压边圈5内设有通孔52，滑槽53设在通孔52底部，中空凸模4设在通孔52内，通过通孔52对中空凸模4的移动方向限位。
63.具体地，如图1、图3和图7所示，由于本发明是对十字形板料试样2进行高速拉伸，加载速率数量级可达101m/s～102m/s，使得十字形板料试样2的应变速率可以达到1
×
103s-1～1
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104s-1，因此为了减少摩擦，使中空凸模4快速上升，通孔52为圆柱形，滑槽53为圆柱形，中空凸模4还包括连接部42，连接部42为圆筒状，连接部42顶部设置冲头43，底部设置滑块41，连接部42的外径略小于通孔52的内径，滑块41为圆柱状，滑块41的外径略小于滑槽53的内径，连接部42为圆筒状且通孔52为圆柱形有利于刚性的中空凸模4上下活动，滑块41为圆柱状且滑槽53为圆柱形有利于滑块41上下活动，使用其他形状容易卡住，无法正常完成实验。
64.本发明的一个实施例中，连接部42的外径略小于通孔52的内径，滑块41的外径略小于滑槽53的内径，使得中空凸模4通过驱动板6稳定上升，且能够起到限位作用，在成形过程中，限制刚性的中空凸模4的行程，防止中空凸模4过行程导致板料破坏，损坏中空凸模4。
65.另外，如图3、图5和图6所示，平面螺旋线圈7设置成环形，驱动板6为圆板状结构，由于中空凸模4滑块41和连接部42设置成圆柱状，为了和中空凸模4圆柱状的滑块41和连接部42相匹配，更好地传递驱动力，所以采用的是环形的平面螺旋线圈7，在电磁成形中，平面螺旋线圈7的作用是产生洛伦兹力驱动十字形板料试样2，在本发明中，是使用平面螺旋线圈7驱动驱动板6，驱动板6推动刚性的中空凸模4来成形十字形板料试样2，由于中空凸模4的滑块41和连接部42被设计成圆柱状，驱动板6被设计成圆板状结构或圆环状结构可以获得更均匀的驱动力。如果采用方形环形，产生的驱动力不均匀，在成形过程中会造成十字形板料试样2成形的不均匀，影响实验效果。
66.本发明中，为了调节加载速率，如图1-图2所示，使十字形板料试样2获取不同的应变速率，压边圈5和十字形板料试样2之间还设有垫片3，垫片3设在十字形导轨51内且为矩形板状结构，调节垫片3的厚度可以使中空凸模4在冲击十字形板料试样2的时候获得不同
的初速度。
67.另外，增加垫片3后，使十字形板料试样2与中空凸模4有一定的间距，给刚性的中空凸模4一定的加速空间，使刚性的中空凸模4有一定的初始速度与十字形板料试样2接触，达到具有一定速度加载的目的。如果十字形板料试样2与中空凸模4接触，则十字形板料试样2和中空凸模4一起从速度0开始加载，总体上是先低速率后高速率的变形，此条件下的变形行为不准确。
68.本发明中，绝缘材料8为环氧树脂填充物，驱动板6必须是导电性良好的材料，一般选择铜；
69.中空凸模4没有导电要求，但要选择刚性材料，一般选择钢；如图9所示，十字形板料试样2为臂上开缝型。
70.一种十字形高速拉伸实验方法，如图1-图9所示，包括以下步骤：
71.步骤s1、在预先准备好的板材切割成十字形板料试样2，并将十字形板料试样2置于压边圈5的十字形导轨51中；
72.步骤s2、将一组或两组压边块1放置在十字形板料试样2的顶部，在十字形导轨51中移动一组或两组压边块1，调整每组压边块1间两个压边块1的间距，使一组或两组压边块1移动至实验要求的位置上；
73.步骤s3、用压边块1压紧十字形板料试样2，并使用压力机施加一定的压力；
74.步骤s4、为电容12充电，并由电容12向平面螺旋线圈7放电，驱动板6被电磁力驱动从而使中空凸模4冲击十字形板料试样2，待十字形板料试样2变形后，采集相应变形状况。
75.本发明中，在步骤s1中，十字形导轨51中还设有四个垫片3，四个垫片3设在十字形板料试样2和压边圈5之间，四个垫片3分别设在十字形板料试样2的四个直臂21底部，选择合适厚度的垫片3，可以使中空凸模4在冲击十字形板料试样2的时候获得不同的初速度。
76.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。