复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置及方法与流程

本发明涉及薄壁板材变形过程应力应变测量装置及方法，具体涉及复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置及方法。

背景技术：

随着高新武器装备对高可靠性和长寿命的要求，迫切需要采用整体构件代替传统的拼焊组装结构。为实现此类复杂薄壁整体构件的成形，往往需要经历复杂的变形过程，板材变形过程中坯料形状、尺寸和边界条件的改变都导致应力路径发生变化，加载路径呈现出非线性。

实际的薄壁板材都具有一定程度的各向异性，在不同的加载路径下会表现出不同的变形特性和成形性能，需要用尽量接近实际成形条件的实验来获得对应的应力、应变等数据，从而实现对板材特性的精确描述和表征。以往，主要采用单向拉伸、圆形模具胀形或椭圆形模具胀形等方法来测试材料性能。但是，上述这些方法都只能获得某种固定不变的应力状态下的材料变形数据，即板材平面内两个方向的应力比值在变形过程中保持恒定。例如，单向拉伸时获得的是单轴应力状态，圆形模具胀形获得的是双向等拉应力状态，椭圆形模具胀形获得的是两个方向应力值不等的双向拉伸应力状态。这些加载路径被称为简单加载或比例加载。

近年来，出现了板材双向拉伸实验方法及专用双向拉伸测试系统。采用专门设计的十字形试样，通过调整和控制两个相互垂直方向的拉伸力和拉伸速度可实现试样的双向加载实验。通过试验机的力、位移和应变测量系统，可以得到变形过程中材料的应力、应变等数据。目前，十字试样双向拉伸实验已被广泛用于测试板材的力学性能。理论上而言，采用十字试样双向拉伸实验也可以使材料在一定的非比例加载条件下变形，即变形过程中两个互相垂直方向的应力比值发生相应变化。但是，由于拉伸过程中十字试样的形状将随着变形的进行而不断发生变化，在等效应变超过10％甚至更小数值时，试样已经严重偏离原有的十字形状，其变形已经非常不稳定或不可控，因此也就无法再获得后续的应力、应变等试验数据。这一不足，严重限制了十字试样双向拉伸实验方法的应用，特别是该方法无法用于获得材料在实验后期的非稳定变形及最终失效破坏阶段的应力、应变信息。

如上所述，实际薄壁板材特别是各向异性明显的板材在复杂加载条件下将表现出完全不同的变形行为。但是，不论是单向拉伸实验、圆形/椭圆形模具胀形实验，还是板材十字试样双向拉伸实验，都只能实现简单的加载条件，或者只能实现较小变形程度的非比例复杂加载条件。利用这些实验，都无法获得一般的复杂加载条件下变形全过程的应力、应变数据，从而无法准确、全面描述材料在复杂应力路径下的变形特性。

因此，需要建立能够实现复杂加载路径的条件并获得变形过程中的应力应变信息，从而对板材在复杂加载条件下的变形行为进行准确描述。

技术实现要素：

本发明是为解决现有的试验装置和方法无法获得板材在一般复杂路径加载条件下变形全过程的应力、应变数据，从而无法准确、全面描述材料在复杂应力路径下的变形特性的问题，进而提供一种复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置及方法。

本发明为了实现上述技术问题采取的技术方案是：

复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置包括底座、施力机构、充液压板、上模板、玻璃板、阶梯凹模、压力传感器、控制系统、充液压力系统、动力系统、CCD相机、多个支撑块和多个连接杆；

所述底座通过多根所述连接杆与所述上模板连接，所述阶梯凹模上加工有孔径逐渐减小的渐缩孔，所述阶梯凹模的渐缩孔的小口所在的端面与所述上模板的下表面固定连接，位于所述阶梯凹模下方的所述底座上安装有施力机构，所述施力机构的输出端固装有所述充液压板，所述充液压板与所述阶梯凹模的渐缩孔的大口端相对设置，所述上模板上开设有与所述阶梯凹模的渐缩孔的小口贯通的观测孔，所述上模板的上表面安装有多个所述支撑块，多个所述支撑块上安装有所述玻璃板；所述玻璃板和所述上模板水平布置；

所述上模板的观测孔正上方布置有所述CCD相机，所述充液压板上表面和所述阶梯凹模的渐缩孔的大口所在的端面之间密封布置有待测的薄板，所述薄板上喷涂有随机分布的散斑的一板面朝向CCD相机设置，所述动力系统的液体介质出口和所述施力机构的液体介质入口连通，所述充液压力系统与所述充液压板的压力介质入口连通，所述充液压力系统的出口管道上安装有用于检测出口介质压力的压力传感器，所述CCD相机的图像信号输出端与所述控制系统的图像信号输入端连接，所述压力传感器的压力信号输出端与所述控制系统的压力信号输入端连接，所述控制系统用于处理输入的图像信息和压力信息。

复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量方法，按照以下步骤实现：

步骤一、按实验需要设计制作相应的阶梯凹模，并按照实验要求切割薄板；

步骤二、将薄板放置于充液压板上表面和阶梯凹模之间，在控制系统的控制下通过电液伺服阀将动力系统中液体介质通入到施力机构中，施力机构输出端推动充液压板向阶梯凹模运动从而将薄板压紧密封；

步骤三、控制系统控制充液压力系统经过压力介质入口向薄板和充液压板之间通入压力介质使薄板向阶梯凹模方向胀形，随着胀形的进行，薄板与阶梯凹模接触时受到模具的作用使得薄板胀形时外轮廓形状发生改变；

步骤四、压力传感器采集薄板与充液压板之间压力介质的压力值，CCD相机记录薄板变形时散斑的变化；上述信息传入到控制系统经过分析处理得到薄板在不同位置处的位移、应力、应变以及压力介质的压力信息；

步骤五、使薄板发生稳定且持续的胀形变形直至破裂，保存实验数据，拆下实验后变形的板材。

本发明的有益效果是：一、本发明提出的阶梯凹模胀形法，胀形过程中通过阶梯凹模对胀形时的板材进行约束使得板材在胀形过程中顶点处的应力状态发生变化，从而实现板材在复杂加载路径下发生变形，获得相应的应力应变数据用于理论研究。实现过程较为简单，不需要特殊的设备，简单易行。

二、通过改变阶梯凹模的截面形状就可以实现不同的复杂加载路径，无需进行程序控制，因此加载过程简单且连续、稳定，全过程的应力应变数据都可以完整、精确测量。

三、本发明采用底座、连接杆和上模板连接而成装置的主要框架，结构简单而紧凑；采用单个驱动单元提供密封压力，简单而便于操作。

四、板材胀形过程中应力值可以通过计算公式计算得到，计算公式中所涉及的参数均能通过CCD相机精确测量并经过控制系统处理得到，应力测量结果精确；应变值是通过CCD相机测量经由控制系统处理得到，应变测量结果精确；因此可以较为精确地获得板材在复杂应力状态下变形时的应力应变信息。

五、应变测量是通过向板材上喷涂散斑然后由CCD相机测量并经过处理得到，无需粘贴应变片或采用球径仪等工具，操作简单且测量结果可靠。

六、试样制备简单，只需要将板材制成大小合适的圆形试样即可。

附图说明

图1为复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置示意图，图2为采用CCD相机对板材变形过程进行测量的示意图，图3为常规椭圆形开口凹模实现板材胀形原理图，图4为胀形后得到板材外轮廓形状分析示意图，图5a为带有渐缩孔的阶梯凹模示意图，图5b为阶梯凹模某横截面接近圆形的形状示意图，图5c为阶梯凹模某椭圆形横截面的短轴小于图5b圆形截面的半径的形状示意图，图5d为阶梯凹模某椭圆形横截面的短轴小于图5c的椭圆形横截面的短轴的形状示意图，图5e为阶梯凹模某椭圆形横截面的短轴小于图5d的椭圆形横截面的短轴的形状示意图，图5f为阶梯凹模某椭圆形横截面的短轴小于图5e的椭圆形横截面的短轴的形状示意图，图6为采用阶梯凹模胀形后的板材示意图，图7为各段截面的中间部分不与薄板接触的阶梯凹模示意图，图8为各段截面连续光滑过渡并与薄板接触的阶梯凹模示意图，图9为一种多段线性加载应力路径示意图，图10为一种连续非线性加载应力路径示意图。

其中，1为底座，2为连接杆，3为施力机构，3-3为施力机构液体介质入口，4为转接板，5为充液压板，5-1为压力介质入口，5-2为压边密封凹槽、6为上模板，7为支撑块，8为玻璃板，9为CCD相机，10为阶梯凹模，10-1为常规椭圆型开口凹模、10-2为压边密封筋、11为压力传感器，12为控制系统，13为充液压力系统，14为动力系统，15薄板，16为散斑。

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。

本发明为了实现复杂加载路径所采用的技术原理表述如下：

由图3和图4中椭球面上极点或顶点K处所对应的微小单元体的受力平衡，可得到下式：

2R_yδytσ_xsin(δx/2)+2R_xδxtσ_ysin(δy/2)＝p(R_xδx)(R_yδy) (1)

其中，δx、δy为极点(顶点)K处所对应的微小单元体x、y方向上长度，t为K处所对应的微小单元体厚度，R_x、R_y分别为极点(顶点)K处沿x轴和y轴方向的两个主曲率半径，p为板材胀形时板材所受压力。

经简单变化，(1)即变为拉普拉斯方程：

σ_θ/R_θ+σ_φ/R_φ＝p/t (2)

胀形模具上椭圆孔的长短半轴长度为A,B。以顶点K为基准，距离该点距离为h的某一平面与胀形时的板材相交形成的截面为椭圆，其长短半轴长度记为a,b，则：

R_x＝(a²+h²)/2h (3)

R_y＝(b²+h²)/2h (4)

结合公式(2)(3)(4)可以得到两个方向上的应力表达式：

其中，α＝σ_x/σ_y。

根据体积不变假设，可以得到顶点P处壁厚的表达式：

两个方向的应变可以通过CCD相机测量后输入到控制系统中处理得到。

上面所述的胀形模具开口为椭圆形且仅为单一形状，板材在胀形过程中所受的两个方向的应力比值为一定值。若将模具加工成图5所示的阶梯凹模的形式，阶梯凹模在不同位置处具有不同的截面形状，在板材发生胀形时板材会不断与模具贴靠，模具约束板材胀形时的形状，则R_x、R_y将发生变化，从而改变板材胀形时顶点K处的应力状态。随着胀形过程中顶点K处R_x、R_y的不断变化，即可使薄板在不断变化的应力状态下变形，即实现复杂的应力路径/加载路径。

结合图1说明，复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置包括底座1、施力机构3、充液压板5、上模板6、玻璃板8、阶梯凹模10、压力传感器11、控制系统12、充液压力系统13、动力系统14、CCD相机9、多个支撑块7和多个连接杆2；

所述底座1通过多根所述连接杆2与所述上模板6连接，所述阶梯凹模10上加工有孔径逐渐减小的渐缩孔，所述阶梯凹模10的渐缩孔的小口所在的端面与所述上模板6的下表面固定连接，位于所述阶梯凹模10下方的所述底座1上安装有施力机构3，所述施力机构3的输出端固装有所述充液压板5，所述充液压板5与所述阶梯凹模10的渐缩孔的大口端相对设置，所述上模板6上开设有与所述阶梯凹模10的渐缩孔的小口贯通的观测孔，所述上模板6的上表面安装有多个所述支撑块7，多个所述支撑块7上安装有所述玻璃板8；所述玻璃板8和所述上模板6水平布置；

所述上模板6的观测孔正上方布置有所述CCD相机9，所述充液压板5上表面和所述阶梯凹模10的渐缩孔的大口所在的端面之间密封布置有待测的薄板15，所述薄板15上喷涂有随机分布的散斑16的一板面朝向CCD相机9设置，所述动力系统14的液体介质出口和所述施力机构3的液体介质入口3-3连通，所述充液压力系统13与所述充液压板5的压力介质入口5-1连通，所述充液压力系统13的出口管道上安装有用于检测出口介质压力的压力传感器11，所述CCD相机9的图像信号输出端与所述控制系统12的图像信号输入端连接，所述压力传感器11的压力信号输出端与所述控制系统12的压力信号输入端连接，所述控制系统12用于处理输入的图像信息和压力信息并控制电液伺服阀的开度。

所述动力系统14的液体介质出口和所述施力机构3的液体介质入口3-3连通且二者连通的管道上安装有电液伺服阀，所述充液压力系统13与所述充液压板5的压力介质入口5-1连通且二者连通的管道上安装有电液伺服阀。优选地，为了获取质量更好的薄板胀形过程的图像信息，CCD相机9选用两个，采用两个CCD相机9透过玻璃板及阶梯凹模10的小口实现薄板15胀形变化的采集。

控制系统12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。

如图1说明，为了实现施力机构3与充液压板5的可靠连接，复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量装置还包括转接板4，所述施力机构3的输出端与所述充液压板5之间布置有与二者连接的所述转接板4。

如图1说明，所述施力机构3为液压式千斤顶或液压缸。如此设计，结构简单可靠，使用便捷。阶梯凹模10的形状可以设计成不同的形状从而使得薄板15在变形时所受的应力状态不同，实现不同的复杂加载路径。阶梯凹模10的渐缩孔可以采用不同或相同截面形状的组合设计，可以设计为各个截面中间部分不与薄板15接触，从而实现薄板15的多段线性加载，如图7所示；也可以设计为各个截面中间部分选择不同的过渡方式使得薄板15始终与阶梯模具10接触，从而实现非线性加载，如图8所示。如图5a说明，优选地，所述渐缩孔10-3的截面由多个大小不同的椭圆形截面构成。

如图1说明，所述阶梯凹模10的渐缩孔的大口所在的端面上固装有一圈压边密封筋10-2，充液压板5的上表面上加工有与所述压边密封筋10-2匹配设置的一圈压边密封凹槽5-2。如此设置，在薄板15胀形实验时，薄板15与充液压板5以及薄板15与阶梯凹模10通过压边密封筋10-2和压边密封凹槽5-2相互配合实现紧压密封。

如图1说明，优选地，所述连接杆2的数量为四个，四个所述连接杆2沿所述底座1的周向均布设置。如此设置，底座1和上模板6连接稳定可靠，满足薄板15胀形的实际需要。

如图1-图10说明，复杂应力路径下薄板变形过程应力应变测量方法，按照以下步骤实现：

步骤一、按实验需要设计制作相应的阶梯凹模10，并按照实验要求切割薄板15；

步骤二、将薄板15放置于充液压板5上表面和阶梯凹模10之间，在控制系统12的控制下通过电液伺服阀将动力系统14中液体介质通入到施力机构3中，施力机构3输出端推动充液压板5向阶梯凹模10运动从而将薄板15压紧密封；

步骤三、控制系统12控制充液压力系统13经过压力介质入口5-1向薄板15和充液压板5之间通入压力介质使薄板15向阶梯凹模10方向胀形，随着胀形的进行，薄板15与阶梯凹模10接触时受到模具的作用使得薄板15胀形时外轮廓形状发生改变；

步骤四、压力传感器11采集薄板15与充液压板5之间压力介质的压力值，CCD相机9记录薄板15变形时散斑的变化；上述信息传入到控制系统12经过分析处理得到薄板15在胀形过程中不同位置处的位移、应力、应变以及压力介质的压力信息；

步骤五、使薄板15发生稳定且持续的胀形变形直至破裂，保存实验数据，拆下实验后变形的板材。

步骤三中的阶梯凹模10的形状设计成不同的形状从而使薄板15在变形时所受的应力状态不同，实现不同复杂加载路径的板材胀形。阶梯凹模10的渐缩孔可以采用不同或相同截面形状的组合设计，可以设计为各个截面中间部分不与薄板15接触，从而实现薄板15的多段线性加载，如图7所示；也可以设计为各个截面中间部分选择不同的过渡方式使得薄板15始终与阶梯模具10接触，从而实现非线性加载，如图8所示。

其中图5a为阶梯凹模10的渐缩孔10-2为多个不同椭圆形截面构成的渐缩孔，图5b至图5f为短轴逐渐减小的椭圆形线截面布置示意图，图5b至图5f也表示渐缩孔10-2由阶梯凹模10的大口向小口布置的顺序图。图7代表了阶梯凹模10的渐缩孔10-2的各个截面中间部分不与薄板15接触胀形得到的板材，图9为对应图7不连续接触下的多段线性加载应力路径示意图；图8代表了阶梯凹模10的渐缩孔10-2的各个截面连续与薄板15接触胀形得到的板材，图10为对应图8连续接触下的连续非线性加载应力路径示意图，图9和图10的横纵坐标均为应力(横向和纵向应力，单位为Mpa)。图6为采用阶梯凹模胀形得到的最终板材。步骤二中薄板15放置时的方向，对于各向异性的薄板15，放置方向不同时采用同一阶梯凹模10可以产生不同的应力加载路径。步骤三和步骤四中的压力介质为液压油或乳化液。采用多个具有不同截面形状的阶梯凹模进行胀形测试，获得薄板在不同复杂加载条件下变形的应力应变信息，根据获得的变形过程的应力应变信息和破裂时的应力应变信息绘制薄板在复杂加载条件下的应力成形极限图和应变成形极限图。

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。