管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置及試驗方法。該裝置包括壓力變送器側(cè)堵頭、進液側(cè)堵頭、試驗管段、進液接頭、進液側(cè)密封墊、壓力變送器、壓力變送器側(cè)密封墊、管段支持架、管壁余厚鼓脹區(qū)、直線位移傳感器、位移傳感器定位架、加壓液池、加壓泵、緩沖罐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機，管壁余厚鼓脹區(qū)為矩形平面縮進結(jié)構(gòu)或圓形平面縮進結(jié)構(gòu)。本發(fā)明從初始變形至塑性拉伸失穩(wěn)直至破裂發(fā)生，最大應(yīng)變位置始終穩(wěn)定為縮進平面的中央，便于測量的準確定位；易于測量，測量應(yīng)變范圍接近全范圍；簡化了試驗裝置；變形集中于局部區(qū)域，僅需控制管材及位移傳感器的形位，不需復(fù)雜的夾持裝置，使試驗裝置極大簡化，試驗更加安全。
【專利說明】管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置及試驗方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能試驗【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種測量大應(yīng)變范圍管材真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多工業(yè)領(lǐng)域中輕質(zhì)零件的應(yīng)用日益趨重，更大應(yīng)變范圍和更加精確的管材力學(xué)性能可以顯著提高成形工藝參數(shù)的精度以及數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。
[0003]管材力學(xué)性能測試目前最多采用的是單軸拉伸試驗方法，拉伸試樣沿管材軸向切割而成。單軸拉伸試驗方法的優(yōu)點是試件簡單，方法傳統(tǒng)。不足主要是:1)所測得的應(yīng)力和應(yīng)變是一定意義上的平均值(引伸計標距范圍或試件標距范圍);2)總體處于單向應(yīng)力狀態(tài)難以準確預(yù)測雙向應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)行為；3)容易較早進入局部變形階段，極限應(yīng)變值小(通常不及雙向拉伸試驗的一半)，無法獲得材料全應(yīng)變范圍的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
[0004]整體鼓脹試驗方法，直接在截取的管段內(nèi)部加壓，力學(xué)模型相當(dāng)于承受內(nèi)壓的圓筒形容器(如 M.1maninejad, G.Subhash, A.Loukus.Experimental and numericalinvestigation of free—bulge formation during hydroforming of aluminumextrusions[J], Journal of Materials Processing Technology, 2004，147: 247 -254)。該方法的優(yōu)點是試樣簡單，彈性范圍測量簡便，無需試驗夾具。不足是當(dāng)進入塑性大應(yīng)變階段，變形集中于局部區(qū)域時，預(yù)先定位及測量難，導(dǎo)致測量應(yīng)變范圍小。
[0005]單環(huán)和多環(huán)鼓脹試驗方法，通過試驗臺、脹形空間和專門夾持裝置，控制軸向一個或間隔多個位置環(huán)向鼓脹，分別成為單環(huán)和多環(huán)鼓脹。單環(huán)方法可參見T.Sokolowski,K.Gerkej M.Ahmetogluj T.Altan.Evaluation of tube formability and materialcharacteristics: hydraulic b ulge testing of tubes [J]，Journal of MaterialsProcessing Technology, 2000， 98: 34-40 和 Yeong-Maw Hwang, Y1-Kai LinjTaylan Altan.Evaluation of tubular materials by a hydraulic bulge test [J],International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007， 47: 343—351。多環(huán)方法參見 A.El-Morsyj N.Akkusj K.Manabej H.Nishimura.Evaluation ofsuperplastic characteristics of tubular materials by mult1-tube bulge test[J],Materials Letters, 2006，60: 559 - 564。環(huán)形鼓脹方法的優(yōu)點是變形相對集中，測量和解析較整體鼓脹方法容易。不足是:1)局部塑性變形部位預(yù)測及測量困難，應(yīng)變極限仍然較小(0.20左右)；2)全部壁厚脹形所需加載壓力大；3)夾持裝置復(fù)雜，試驗成本高。
[0006]側(cè)凸鼓脹試驗方法是單環(huán)鼓脹試驗方法在定位方面的改進，鼓脹不再是環(huán)形，而是集中在某一徑向，脹形后成為“T”型結(jié)構(gòu)，如Y.M.Hwang, T.C.Lin, 1C.Chang.Experiments on T-shape hydroforming with counter punch[J]， Journal of MaterialsProcessing Technology, 2007，192 - 193: 243 - 248。該方法的變形預(yù)測定位較環(huán)形鼓脹容易，但加載壓力大、夾持及試驗裝置復(fù)雜的不足依然存在。
[0007]上述為已有技術(shù)文獻中關(guān)于管材性能的試驗方法，這些方法可分為兩大類，單軸拉伸試驗方法和管材環(huán)向或徑向鼓脹方法。單軸拉伸試驗方法已公認難以準確描述管材全面和真實的力學(xué)性能，而幾種現(xiàn)有鼓脹試驗方法存在應(yīng)變極限小、加載壓力高、裝置復(fù)雜等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有管材力學(xué)性能試驗方法存在的不足而提出一種管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置及試驗方法。
[0009]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置，包括壓力變送器側(cè)堵頭、進液側(cè)堵頭、試驗管段、進液接頭、進液側(cè)密封墊、壓力變送器、壓力變送器側(cè)密封墊、管段支持架、管壁余厚鼓脹區(qū)、直線位移傳感器、位移傳感器定位架、加壓液池、加壓泵、緩沖罐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機。
[0010]所述壓力變送器側(cè)堵頭、進液側(cè)堵頭與試驗管段形成鼓脹試驗的加壓空間，所述進液接頭和進液側(cè)密封墊形成進液側(cè)密封，所述壓力變送器與壓力變送器側(cè)密封墊形成另外一側(cè)的密封；所述試驗管段由管段支持架固定，試驗管段的最小長度根據(jù)管端影響確定，在管壁余厚鼓脹區(qū)的中央點上，法向設(shè)置直線位移傳感器，并由位移傳感器定位架固定，保證與管壁余厚鼓脹區(qū)初始平面的垂直度；所述加壓液池、加壓泵、緩沖罐、進液接頭依次連接，壓力變送器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機依次連接，直線位移傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述管壁余厚鼓脹區(qū)為矩形平面縮進結(jié)構(gòu)。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述管壁余厚鼓脹區(qū)為圓形平面縮進結(jié)構(gòu)。
[0013]管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹試驗方法，包括如下步驟:
A、液體由加壓液池吸入加壓泵，經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后，進入試驗管段的內(nèi)腔，加壓速率控制為準靜態(tài)范圍，隨著液壓的不斷上升，管壁余厚鼓脹區(qū)由初始的外側(cè)平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發(fā)生在中央點處，直至管壁余厚鼓脹區(qū)發(fā)生破裂；
B、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集分別由壓力變送器和直線位移傳感器產(chǎn)生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳入計算機，通過計算機中的軟件實施采集的控制以及數(shù)據(jù)的保存。
[0014]基于上述試驗方法的管材真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得方法，包括如下步驟:
A、首先進行管材的單軸拉伸試驗，獲得單向拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)模型，以此作為初始材料模型；
B、對管壁縮進平面的余厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-余厚中央點撓曲高度，即P~h關(guān)系模擬結(jié)果；
C、模擬結(jié)果曲線與權(quán)利要求4所述試驗方法的試驗結(jié)果，即關(guān)系曲線進行比較，觀察是否符合比較判據(jù)，如果超過允差，則根據(jù)比較情況修正應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬關(guān)系不斷逼近試驗關(guān)系曲線，直至滿足比較判據(jù)，此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即為準真實的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
(I)從初始變形至塑性拉伸失穩(wěn)直至破裂發(fā)生，最大應(yīng)變位置始終穩(wěn)定為縮進平面的中央，這一優(yōu)點特別便于測量的準確定位。[0016](2)易于實現(xiàn)從初始變形至接近拉伸失穩(wěn)的變形全過程測量，使得測量應(yīng)變范圍接近了全范圍。
[0017](3)通過管壁縮進平面尺寸和余厚大小可以控制最大液壓值，其大小明顯小于現(xiàn)有技術(shù)的鼓脹液壓值，從而可以簡化試驗裝置。
[0018](4)變形集中于局部區(qū)域，變形能量顯著低于現(xiàn)有的管材鼓脹試驗方法，僅需控制管材及位移傳感器的形位，不需要復(fù)雜的夾持裝置，使得試驗裝置極大簡化，同時試驗更加安全。
[0019](5)上述優(yōu)點帶來的其他有益效果，如節(jié)能、提高測量效率、高精度等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的矩形平面縮進結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2中矩形平面縮進結(jié)構(gòu)沿A-A線的剖視圖；
圖4是本發(fā)明的圓形平面縮進結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是圖4中圓形平面縮進結(jié)構(gòu)沿B-B線的剖視圖；
圖6是本發(fā)明實施例的試驗方法框圖。
[0021]圖中:1、壓力變送器側(cè)堵頭，2、壓力變送器側(cè)密封墊，3、管段支持架，4、加壓液池，
5、加壓泵，6、緩沖罐，7、試驗管段，8、進液側(cè)堵頭，9、進液接頭，10、進液側(cè)密封墊，11、位移傳感器定位架，12、直線位移傳感器，13、管壁余厚鼓脹區(qū)，14、壓力變送器，15、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，16、計算機,13_la、矩形縮進平面方式的余厚中央點，13_2a、矩形縮進平面，13_3a、矩形縮進平面方式的管壁余厚，13-lb、圓形縮進平面方式的余厚中央點，13-2b、圓形縮進平面，13-3b、圓形縮進平面方式的管壁余厚。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023]參照圖1，壓力變送器側(cè)堵頭1、進液側(cè)堵頭8與試驗管段7形成鼓脹試驗的加壓空間，試驗管段7需根據(jù)管端影響控制最小長度，進液接頭9和進液側(cè)密封墊10形成進液側(cè)密封，壓力變送器14與壓力變送器側(cè)密封墊2形成另外一側(cè)的密封。試驗管段7由管段支持架3固定，在管壁余厚鼓脹區(qū)13的中央點上，法向設(shè)置直線位移傳感器12，并由位移傳感器定位架11固定，保證與管壁余厚鼓脹區(qū)13初始平面的垂直度。
[0024]試驗時，液體由加壓液池4吸入加壓泵5，經(jīng)緩沖罐6穩(wěn)壓后，進入試驗管段7的內(nèi)腔，加壓速率控制為準靜態(tài)范圍，隨著液壓的不斷上升，管壁余厚鼓脹區(qū)13由初始的外側(cè)平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發(fā)生在中央點處，直至管壁余厚鼓脹區(qū)13發(fā)生破裂。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15同步采集分別由壓力變送器14和直線位移傳感器12產(chǎn)生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳入計算機16，通過計算機16中的軟件實施采集的控制以及數(shù)據(jù)的保存。
[0025]參照圖2、圖3和圖4、圖5，分別表示矩形平面縮進結(jié)構(gòu)和圓形平面縮進結(jié)構(gòu)。本發(fā)明創(chuàng)新性在于管壁縮進平面的局部鼓脹，適用和保護范圍并不局限于圖2、圖3和圖4、圖5兩種縮進平面結(jié)構(gòu)。圖2、圖3和圖4、圖5表示的是兩種典型的縮進平面方式，前者為橫向貫通的縮進平面，后者為圓形縮進平面。兩種典型的縮進平面方式的余厚中央點13-la或13-lb位于縮進平面的形心位置，便于直線位移傳感器12的安裝定位。矩形縮進平面13-2a或圓形縮進平面13_2b的尺寸以及兩種典型的縮進平面方式的管壁余厚13-3a或13-3b的大小根據(jù)試驗管材的直徑及壁厚安排設(shè)定。
[0026]圖6表示了基于本發(fā)明鼓脹試驗的管材真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得方法，圖6中的P表示加壓液壓值，h表示余厚中央點撓曲高度有限元計算值，h*為本發(fā)明鼓脹試驗獲得的余厚中央點撓曲高度。首先進行管材的單軸拉伸試驗，獲得單向拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)模型，以此作為初始材料模型，對管壁縮進平面的余厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-余厚中央點撓曲高度(p-h)關(guān)系模擬結(jié)果，模擬結(jié)果曲線與本發(fā)明管壁縮進平面余厚鼓脹試驗結(jié)果(p-h*)關(guān)系曲線進行比較，觀察是否符合比較判據(jù)，如果超過允差，則根據(jù)比較情況修正應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬p-h關(guān)系不斷逼近試驗P-h*關(guān)系曲線，直至滿足比較判據(jù)，此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即為準真實的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
[0027]綜上所述，本發(fā)明通過管材外側(cè)沿徑向進行平面縮進的方法減少管壁厚度，從而降低脹形液壓，達到了簡化加載裝置的目的；通過將管壁鼓脹范圍從現(xiàn)有技術(shù)中的較大區(qū)域，集中到平面縮進的局部區(qū)域，實現(xiàn)了準確定位以及方便測量；通過將現(xiàn)有技術(shù)中的管殼鼓脹改變?yōu)閮?nèi)單曲外平面的變厚薄板鼓脹，通過控制余厚大小和平面尺寸控制所需的液壓值；利用內(nèi)單曲外平面變厚薄板脹形過程共同遵循變形幾何關(guān)系、材料本構(gòu)關(guān)系以及靜力平衡關(guān)系的原理，結(jié)合有限元分析方法，采用易于測量的中央法向撓度這一特征參量，以試驗值與模擬值的比較逐步逼近真實的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
[0028]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置，其特征在于:包括壓力變送器側(cè)堵頭(I)、進液側(cè)堵頭(8)、試驗管段(7)、進液接頭(9)、進液側(cè)密封墊(10)、壓力變送器(14)、壓力變送器側(cè)密封墊(2)、管段支持架(3)、管壁余厚鼓脹區(qū)(13)、直線位移傳感器(12)、位移傳感器定位架(11)、加壓液池(4)、加壓泵(5)、緩沖罐(6)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)、計算機(16)； 所述壓力變送器側(cè)堵頭(I)、進液側(cè)堵頭(8)與試驗管段(7)形成鼓脹試驗的加壓空間，所述進液接頭(9)和進液側(cè)密封墊(10)形成進液側(cè)密封，所述壓力變送器(14)與壓力變送器側(cè)密封墊(2)形成另外一側(cè)的密封；所述試驗管段(7)由管段支持架(3)固定，試驗管段(7)的最小長度根據(jù)管端影響確定，在管壁余厚鼓脹區(qū)(13)的中央點上，法向設(shè)置直線位移傳感器(12)，并由位移傳感器定位架(11)固定，保證與管壁余厚鼓脹區(qū)(13)初始平面的垂直度；所述加壓液池(4)、加壓泵(5)、緩沖罐(6)、進液接頭(9)依次連接，壓力變送器(14)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)、計算機(16)依次連接，直線位移傳感器(12)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置，其特征在于:所述管壁余厚鼓脹區(qū)(13)為矩形平面縮進結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹裝置，其特征在于:所述管壁余厚鼓脹區(qū)(13)為圓形平面縮進結(jié)構(gòu)。
4.管材力學(xué)性能測試管壁平面縮進余厚鼓脹試驗方法，包括如下步驟: A、液體由加壓液池(4)吸入加壓泵(5)，經(jīng)緩沖罐(6)穩(wěn)壓后，進入試驗管段(7)的內(nèi)腔，加壓速率控制為準靜態(tài)范圍，隨著液壓的不斷上升，管壁余厚鼓脹區(qū)(13)由初始的外側(cè)平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發(fā)生在中央點處，直至管壁余厚鼓脹區(qū)(13)發(fā)生破裂; B、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)同步采集分別由壓力變送器(14)和直線位移傳感器(12)產(chǎn)生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳入計算機(16)，通過計算機(16)中的軟件實施采集的控制以及數(shù)據(jù)的保存。
5.基于權(quán)利要求4所述試驗方法的管材真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得方法，包括如下步驟: A、首先進行管材的單軸拉伸試驗，獲得單向拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)模型，以此作為初始材料模型； B、對管壁縮進平面的余厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-余厚中央點撓曲高度，即P~h關(guān)系模擬結(jié)果； C、模擬結(jié)果曲線與權(quán)利要求4所述試驗方法的試驗結(jié)果，即關(guān)系曲線進行比較，觀察是否符合比較判據(jù)，如果超過允差，則根據(jù)比較情況修正應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬關(guān)系不斷逼近試驗關(guān)系曲線，直至滿足比較判據(jù)，此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即為準真實的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
【文檔編號】G01N3/10GK103558087SQ201310491174
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】高光藩, 孫亮, 邱小波, 龐明軍, 程實然 申請人:常州大學(xué)