一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据处理方法，它 是一种能够实现比传统的拉伸平面应变试验更大变形范围的平面应变测试装置的设计，并 给出如何处理使用该装置获得的试验数据，以进一步建立适应于更大变形范围的平面应变 的本构关系的方法，属于材料力学测试技术及设备领域。
【背景技术】
[0002] 平面应变问题：材料受力变形过程中，如果某一个方向始终不发生变形，或者说该 方向应变始终为0,即为平面应变受力状态。
[0003] 目前，由于航空、船舶、汽车工业的飞速发展，生产工艺员经常需要面对大量需要 进行金属成形的问题，这时候了解成形件各部件的强度要求及材料成形性能能否满足生产 要求，具有很重要的作用。因此在加工生产中，对金属成形技术提出了更高的要求，更加精 准地测试金属成形时其材料的各性能及参数尤其重要。
[0004] 金属成形技术是利用金属塑性成形的特点，通过模具及其他辅助手段对板料施加 一定的作用力，使其在可控的范围内产生相应的塑性变形，从而获得所需成形形状和性能 零件的一种制造工艺。在许多金属成形工艺下都存在着平面应变状态，如金属件的旋压，压 印，弯曲，卷边，拉深等。而在这些金属成形中，其工艺参数对成形件具有很大的影响。材料 加工界已有研究成果表明，如果仅仅依靠单向拉伸或者其他方法进行实验得到的应力应变 数据所建立的本构关系去描述平面应变问题，将会存在很大的误差。如果能够使材料在平 面应变状态下均匀变形，并能获取相应的应力应变数据，将会建立能够精确描述包含平面 应变状态的成形工艺的本构关系。目前人们已经设计了一些平面应变试验方法，都是通过 设计特殊的试件形状，然后再进行拉伸而达到平面应变状态，这些方法中虽然通过设计试 件的特殊形状而使得变形过程中材料的受力状态接近平面应变，但是由于受到试件形状和 拉伸状态的限制，能够得到的变形范围都很小。而实际成形工艺中材料在平面应变状态下 能够达到较大的变形，在对其变形规律进行理论计算和有限元模拟时候需要大变形范围内 的数据，而传统的平面应变试验方法得到的变形范围较小，难以适应实际需求。因此本发明 设计一种能够实现金属在更大变形范围的平面应变状态的试验装置，并给出如何通过该试 验装置获取的应力应变数据来建立本构关系的方法。
[0005] 本专利申请设计时，考虑到金属在压缩受力状态下能够达到比拉伸状态大的多的 变形特性，而且根据塑性加工理论可知，满足一定条件下不同的受力组合可以使得材料达 到相同的变形状态。设计本装置使板料处于压应力状态，在板料厚度方向设计挡块并留出 一个方向以作为金属变形时的流动方向（如说明书附图中图1箭头方向）。金属材料的平 面处于压板下，两侧为固定挡板，使得压缩过程中在两侧方向上始终无变形，以便使其处于 平面应变状态。两侧的固定挡板在安装时首先通过挡板的凹槽卡在固定的工作台上（其中 凹槽与工作台凸出的部分是紧配合），然后用螺钉紧固，以便于保持其与工作台良好的固定 性。挡块6做成与工作台8相互配合的形状，并且挡块6可以在工作台8上滑动，便于与挡 板之间围成封闭的长方体，然后通过螺钉使挡块6与挡板5和挡板9固定（图1中挡块6的 开孔位置），挡板5与工作台8固定（图1中挡块5底部开孔位置），挡板9与工作台8固 定（图1中挡块9底部开孔位置）。这样通过检测一些成形数据可以得到需要的参数。由 于金属成形时必然会受到一些误差的影响，如摩擦力、弯曲抗力等，因此为了改善矩形板料 与挡板、工作台之间的滑动性，应加一些润滑剂，如垫上聚四氟乙烯薄膜等，尽量减小这些 影响因素的影响。
【发明内容】
[0006] (1)见图1，图2, 一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，它包含电机1， 支架2,压板3,丝杠4,挡板5,挡块6,激光测距传感器7,工作台8,挡板9,激光测距传感器 10,压力传感器11，压力传感器12和被测板料13。它们之间的位置连接关系是：电机1安 装在支架2上并与压板3、丝杠4连接，压板3上装有激光测距传感器10和压力传感器11， 挡板5与挡板9设置在工作台8两侧，并通过螺钉与工作台8、挡块6连接；挡块6中部设 有激光测距传感器7,挡板5中部设有压力传感器12 ;被测板料13位于挡板5、挡块6、挡板 9三者合围的工作台8上；支架2连接在工作台8上。
[0007] 所述电机1是西门子的交流伺服电机，型号为1FK7080-5AF71-1UA0。
[0008] 所述支架2是设有通孔的L状结构件；
[0009] 所述压板3是其上装有激光测距传感器10、压力传感器11的条状件；
[0010] 所述丝杠4是选用的是南京工艺装备制造公司生产的CMFZD10020-7. 5的滚珠丝 杠副。
[0011] 所述挡板5、挡板9是其上设有连接螺孔的矩形板料；
[0012] 所述挡块6是其上设有连接螺孔，其下设有凹槽的的矩形板料；
[0013] 所述激光测距传感器7、10、压力传感器11，12是按需选购的市购件；
[0014] 所述工作台8是其上设有连接螺孔的"工"字状件；
[0015] 所述被测板料13是矩形板料。
[0016] 本发明一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置的工况简介如下：1所有 的安装必须在紧固的条件下，如挡板、挡块与工作台之间的连接处，要保证连接良好，运行 正常。2测距传感器须距离矩形板料有一定的空间，保证挤压后的矩形板料挤压出来的长度 小于该空间距离，并且在挤压前预算板料的伸长的长度，设定好测距传感器与矩形板料之 间的距离。3电动机为西门子伺服交流电机，可以其自身的正转与反转，便于下压与抬起。 4压板与丝杠相联结，在开机前需要保证压板处于水平位置，这样可以保证板料在受力时的 均匀性。
[0017] (2) -种实现大变形范围的平面应变状态测试装置的数据处理方法，该方法具体 步骤如下：
[0018] 步骤一：板料的放置装夹
[0019] 板料放置时需要紧贴工作台，且与两个挡板处于紧配合，因此在实验前需要先安 装某一侧的挡板，螺钉紧固后，放入矩形板料，然后再放置另一侧的挡板，这样可以保证矩 形板料完全卡在工作台与挡板所围成的槽中，更保证了实验的精确性。
[0020] 步骤二：试验装置及其参数的设定
[0021] 通过计算机控制调整其各传感器的初始读数，方便计算等。
[0022] 步骤三：试验数据的采集
[0023] 试验过程中，通过试验装置上的传感器对平面应变过程中的各向参数进行统计整 理，激光测距传感器进行板料厚度方向与长度方向上的实时测量，压力传感器对板料施加 的压力进行实时测量。
[0024] 步骤四：试验后处理及其分析
[0025] 运用步骤三中得到的数据进行板料的平面应变数据分析，可以得到该板料的平面 应变应力等相关的数据。
[0026] 具体的操作流程图如图3。
[0027] 本发明方法中，采用直接压缩板料的方式，可以快速准确得到板料的平面应变数 据。
[0028] (3)优点及功效：本发明一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置及数据 处理方法，
[0029] 其优点是：
[0030] 1、本发明结构简单，性能可靠，很方便得到板料的平面应变数据。
[0031] 2、本发明提出的激光测距传感器与压力传感器，突破原有的凸模拉伸测量和宽板 拉伸实验的方法以直接压缩板料得到其相关的数据，使得到的数据更加准确可靠。
【附图说明】
[0032] 图1，图2是该平面应变测试的总装模型结构示意图。
[0033] 图2是对图1的补充，图2更加清晰表示出板料的放置状态。
[0034] 图3是本发明的流程图。
[0035] 图中所示标号说明：
[0036] 1电机，2支架，3压板，4丝杠，5挡板，6挡块，7激光测距传感器，8工作台，9挡板， 10激光测距传感器，11压力传感器，12压力传感器，13板料。
【具体实施方式】
[0037] (1)见图1，图2, 一种实现大变形范围的平面应变状态的测试装置，它包含电机1， 支架2,压板3,丝杠4,挡板5,挡块6,激光测距传感器7,工作台8,挡板9,激光测距传感器 10,压力传感器11，压力传感器12和被测板料13。它们之间的位置连接关系是：电机1安 装在支架2上并与压板3、丝杠4连接，压板3上装有激光测距传感器10和压力传感器11， 挡板5与挡板9设置在工作台8两侧，并通过螺钉与工作台8、挡块6连接；挡块6中部设 有激光测距传感器7,挡板5中部设有压力传感器12 ;被测板料13位于挡板5、挡块6、挡板 9三者合围的工作台8上，支架2连接在工作台8上。
[0038] 所述电机1是西门子的交流伺服电机，型号为1FK7080-5AF71-1UA0。
[0039] 所述支架2是设有通孔的L状结构件；
[0040] 所述压板3是其上装有激光测距传感器10、压力传感器11的条状件；
[0041] 所述丝杠4是选用的是南京工艺装备制造公司生产的CMFZD10020-7. 5的滚珠丝 杠副。
[0042] 所述挡板5、挡板9是其上设有连接螺孔的矩形板料；
[0043] 所述挡块6是其上设有连接螺孔，其下设有凹槽的的矩形板料；
[0044] 所述激光测距传感器7、10、压力传感器11，12是按需选购的市购件；