一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于金属薄板在复杂非线性加载条件下的性能测试领域，提出一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法。本发明专利技术通过改变旋转凹模上模横截面椭圆的轴长比数值和长短轴方向的方式，改变金属薄板极点在胀形过程中受到的约束边界条件，从而实现胀形时金属薄板极点处面内主次应力方向和大小的变化。通过本发明专利技术的装置及方法，可以在更为接近实际成形过程的条件下建立金属薄板精确本构模型；应力主轴方向旋转路径、大小变化路径、金属薄板材料方向与应力主轴方向初始夹角均可根据实际需求调整。可根据实际需求调整。可根据实际需求调整。

【技术实现步骤摘要】
一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及金属薄板在复杂非线性加载条件下的性能测试领域，尤其涉及一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天及汽车工业领域对轻量化、可靠性和长寿命等要求的大幅提升，采用整体异形薄壳构件代替传统分块拼焊组装结构的需求日益迫切。为实现复杂异形薄壁整体构件的成形，往往需要经历复杂的变形过程，在此过程中坯料形状、尺寸和边界条件的改变都导致加载路径呈现出复杂的非线性：应力路径连续变化的同时，应力主轴方向也会发生连续、复杂的旋转。此外，由于制备工艺的方向性，实际的薄板材料都具有一定程度的各向异性，所以不同的材料方向匹配不同的加载路径时会表现出不同的变形特性和成形性能。因此，为实现复杂成形过程中板材变形特性的精确描述和表征，用于指导实际成形，需要用尽量接近实际成形时坯料及模具约束等条件的试验来获得对应的应力、应变等数据。
[0003]针对薄板变形性能的测试，目前主要采用的方法有简单比例加载，如单向拉伸/压缩法、圆形/椭圆形截面凹模胀形法等，以及在此基础上发展出的非比例加载，如双向加载十字拉伸法和阶梯凹模胀形法(专利号201611240021.6)等。以上的简单比例加载方法在设定的某种特定且不变的平面应力状态下获得薄板性能，应力路径和应力主轴方向都不发生变化，与板材在实际变形中经历的复杂加载过程相差甚远。非比例加载中，双向加载十字拉伸法通过改变十字形试样上两个相互垂直方向上的拉伸力和拉伸速度，使变形过程中面内相互垂直的两个主应力的比值发生变化。然而，当等效应变超过10％甚至更小数值时，试样已严重偏离原有形状，变形极不稳定且不可控，后续变形所得应力应变数据严重失真不可用，无法获得材料在试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，而板材在此阶段的变形行为测定对于其成形能力的评估及成形工艺的确定至关重要。
[0004]作为一种改进的新型非比例加载方法，阶梯凹模胀形法(专利号201611240021.6)采用沿胀形高度方向横截面形状不断变化的阶梯凹模进行胀形，使金属板坯中间变形区在整个胀形过程中的应力比不断发生变化，以获得非比例加载变形。由于胀形加载过程的连续稳定性以及CCD相机数据采集的直观可视性，该方法可获得更大等效应变范围内的板材变形数据，试验后期的非稳定变形及最终失效破坏阶段的应力、应变信息亦可实时采集，因此，该方法为更全面地评价金属薄板的性能提供了可能。但是，该方法仅可通过改变每一个阶梯凹模的长短轴比值实现应力比的变化，无法在板材胀形区实现应力主轴旋转，无法得到应力主轴连续旋转条件下的板材变形性能，不可准确地表征出实际成形时材料方向和应力方向连续、复杂的变化对材料成形性能造成的影响，应用前景受到了制约。
[0005]此外，用于成形复杂异形薄壁件的原始薄板通常存在初始各向异性，在成形过程中经历边界条件不断变化的变形后，各向异性的程度与方向均会发生改变。而在前述的现有试验方法中，仅设定变形前材料方向与应力主轴方向的初始夹角，在后续变形中的方向
夹角无法得到主动和准确的控制，这与实际成形时的变形情况相差较大。故前述试验方法均只能获得板材在固定主应力比或简单变应力比路径下的屈服和流动行为试验数据，无法用于指导平面内主应力比和应力主轴同时发生连续非线性变化的复杂成形过程。
[0006]在现有的金属薄板液体压力胀形装置中，常将胀形凹模下模的下表面直接与密封施力装置的施力活塞上表面接触，两个表面的平行度较低时，将直接导致胀形过程中的密封失效，实验失败。在金属板坯的壁厚较厚时，密封需要较大的压边力，此时要求施力活塞具有很高吨位。此外，活塞下降时下模易倾倒，胀形装置的安全性与稳定性较低。
[0007]综上，为精确描述金属薄板在应力主轴旋转的非线性加载条件下的变形行为，测量全过程中的应力、应变数据，用于评估复杂加载条件下金属薄板材料的成形性能、指导实际成形工艺参数的确定，并提高胀形装置的安全稳定性与密封能力，需要建立一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术是为解决现有的金属薄板性能测试方法只能通过改变简单加载力或边界条件的方式改变板面内测量点应力比，而无法实现应力主轴旋转，从而无法获得与实际成形过程更为接近、可用于精确指导成形工艺参数确定的非比例加载材料性能参数，以及现有胀形装置的安全稳定性与密封能力较低的问题，进而提出的可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置及方法。
[0009]本专利技术的技术原理表述如下：
[0010]本专利技术通过改变旋转凹模上模横截面椭圆的轴长比数值和长短轴方向的方式，改变金属薄板极点在胀形过程中受到的约束边界条件，从而实现胀形时金属薄板极点处面内主次应力方向和大小的变化。根据旋转凹模上模型腔的几何特征可知，金属薄板极点在旋转凹模中胀形到任意高度时，受到的边界约束形状均为椭圆，此时胀形区几何形状可近似为旋转椭球。为说明旋转凹模的技术原理，下文将通过如图5(a)和图5(b)所示的金属薄板胀形区顶点在旋转凹模中胀形高度为h，旋转凹模上模约束边界与型腔入口高度差为H时的受力分析图及胀形区外轮廓图阐释。
[0011]将金属薄板胀形过程中的几何形状近似为旋转椭球面，椭球面旋转轴与旋转凹模上模椭圆约束边界的长轴方向平行，对金属薄板板面极点P进行受力分析，得到受力平衡方程：
[0012][0013]其中，p为该时刻的胀形压力，t为极点壁厚。ρ
θ
和分别是极点处沿旋转凹模上模型腔长轴和短轴方向上的曲率半径，l
θ
和分别是极点处沿x和y方向上的长度，σ
θ
和分别是极点处沿长轴和短轴方向上的应力分量。
[0014]将式(1)化简，得Laplace方程：
[0015][0016]则金属薄板胀形区极点处的面内主应力σ1和面内次应力σ2可以通过下式计算：
[0017][0018]由上式(2)可知，金属薄板在旋转凹模中胀形时，极点处面内主次应力的方向取决于该瞬时的边界椭圆长短轴方向，因此在胀形高度方向上旋转边界椭圆的长轴和短轴即可实现极点处面内主次应力方向的旋转；改变椭圆的轴长比即可改变极点处面内主次应力比。
[0019]此外，根据体积不变假设，P点壁厚可通过下式计算：
[0020][0021]其中t0为金属薄板的初始壁厚。和为每一瞬时旋转凹模上模型腔横截面椭圆边界长短轴方向上的应变，可通过数据采集系统记录获得。
[0022]本专利技术的技术方案如下：一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置，包括旋转凹模上模5、旋转凹模下模6、密封施力系统18、压力介质输出系统15、数据采集系统1、控制系统13和支撑框架；
[0023]控制系统13分别连接数据采集系统1、压力介质输出系统15和密封施力系统18；
[0024]数据采集系统1位于支撑框架上方，用于采集图像；
[0025]支撑框架内自上而下依次本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置，其特征在于，该金属薄板胀形试验装置包括旋转凹模上模(5)、旋转凹模下模(6)、密封施力系统(18)、压力介质输出系统(15)、数据采集系统(1)、控制系统(13)和支撑框架；控制系统(13)分别连接数据采集系统(1)、压力介质输出系统(15)和密封施力系统(18)；数据采集系统(1)位于支撑框架上方，用于采集图像；支撑框架内自上而下依次布置旋转凹模上模(5)、旋转凹模下模(6)、充液压板(7)、充液压板垫板(8)；充液压板(7)、充液压板垫板(8)分别通过压板顶出机构(11)、垫板顶出机构(10)进行上下移动；压力介质输出系统(15)一端通过压力介质输出高压软管(14)连接充液压板(7)，用于传输胀形用高压介质(19)，另一端通过压力传感器(16)连接至控制系统(13)，用于传输压力值；密封施力系统(18)通过密封施力液体介质高压软管(17)分别连接压板顶出机构(11)、垫板顶出机构(10)，用于传输密封施力液体介质(21)；旋转凹模上模(5)内部开有型腔，型腔为沿高度方向自下而上逐渐缩小、长短轴方向在水平面内逐渐旋转的贯通椭圆孔，椭圆孔的轴长比不变或同时发生连续变化；旋转凹模上模(5)一端与支撑框架相连，另一端外缘依次设置有圆环状的半圆形凹槽与锯齿形凹凸槽；旋转凹模下模(6)安装于充液压板垫板(8)上，其外缘设置半圆形凸起筋与锯齿形凹凸槽，与旋转凹模上模(5)配合使用，金属薄板(23)放置在旋转凹模上模(5)、旋转凹模下模(6)间并压紧，在胀形变形中对金属薄板(23)实现压边；充液压板(7)为阶梯式圆柱体，内部开有通孔，通孔与压力介质输出高压软管(14)连通；充液压板(7)包括上层大直径圆柱和下层小直径圆柱；上层大直径圆柱上表面开有O型圈凹槽(20)，用于放置O型密封圈；当金属薄板装夹完成并压边后，充液压板(7)上行与金属薄板(23)接触后继续施加压力，O型密封圈发生变形密封；下层小直径圆柱嵌套于充液压板垫板(8)设置的阶梯孔中。2.根据权利要求1所述的可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置，其特征在于，还包括加热系统(22)，其设置于旋转凹模下模(6)外缘；加热系统(22)的感应线圈缠绕保温材料后，通过绝缘材料放置在充液压板垫板(8)上；当采用高温胀形时，胀形用高压介质(19)为高压气体介质。3.根据权利要求1或2所述的可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置，其特征在于，所述支撑框架包括上垫板(4)、下垫板(12)、支撑拉杆(9)、亚克力板(2)和垫块(3)；上垫板(4)中心开有大于旋转凹模上模(5)型腔最大截面的倒梯形通孔视窗，用于数据采集系统(1)CCD相机对金属薄板表面胀形区内散斑的拍摄；上垫板(4)上方通过垫块(3)放置亚克力板(2)，用于防止金属薄板胀破时液体飞溅污染损伤CCD相机的镜头；上垫板(4)、下垫板(12)间通过支撑拉杆(9)连接。4.根据权利要求3所述的可实现应力主轴连续旋转的金属薄板胀形试验装置，其特征在于，所述旋转凹模上模(5)的型腔正对数据采集系统(1)的CCD相机镜头，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何祝斌，胡馨予，朱海辉，禹修建，林艳丽，陈柯霖，苑世剑，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：