CN103558087B - 管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置及试验方法。该装置包括压力变送器侧堵头、进液侧堵头、试验管段、进液接头、进液侧密封垫、压力变送器、压力变送器侧密封垫、管段支持架、管壁余厚鼓胀区、直线位移传感器、位移传感器定位架、加压液池、加压泵、缓冲罐、数据采集系统、计算机，管壁余厚鼓胀区为矩形平面缩进结构或圆形平面缩进结构。本发明从初始变形至塑性拉伸失稳直至破裂发生，最大应变位置始终稳定为缩进平面的中央，便于测量的准确定位；易于测量，测量应变范围接近全范围；简化了试验装置；变形集中于局部区域，仅需控制管材及位移传感器的形位，不需复杂的夹持装置，使试验装置极大简化，试验更加安全。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学性能试验技术领域，特别涉及一种测量大应变范围管材真实应力应变关系的试验方法。
背景技术
在许多工业领域中轻质零件的应用日益趋重，更大应变范围和更加精确的管材力学性能可以显著提高成形工艺参数的精度以及数值模拟结果的准确性。
管材力学性能测试目前最多采用的是单轴拉伸试验方法，拉伸试样沿管材轴向切割而成。单轴拉伸试验方法的优点是试件简单，方法传统。不足主要是：1）所测得的应力和应变是一定意义上的平均值（引伸计标距范围或试件标距范围）；2）总体处于单向应力状态难以准确预测双向应力状态的力学行为；3）容易较早进入局部变形阶段，极限应变值小（通常不及双向拉伸试验的一半），无法获得材料全应变范围的应力应变关系。
整体鼓胀试验方法，直接在截取的管段内部加压，力学模型相当于承受内压的圆筒形容器（如M. Imaninejad, G. Subhash, A. Loukus. Experimental and numerical investigation of free-bulge formation during hydroforming of aluminum extrusions[J], Journal of Materials Processing Technology, 2004, 147: 247–254）。该方法的优点是试样简单，弹性范围测量简便，无需试验夹具。不足是当进入塑性大应变阶段，变形集中于局部区域时，预先定位及测量难，导致测量应变范围小。
单环和多环鼓胀试验方法，通过试验台、胀形空间和专门夹持装置，控制轴向一个或间隔多个位置环向鼓胀，分别成为单环和多环鼓胀。单环方法可参见T. Sokolowski, K. Gerke, M. Ahmetoglu, T. Altan. Evaluation of tube formability and material characteristics: hydraulic bulge testing of tubes[J], Journal of Materials Processing Technology, 2000, 98: 34-40和Yeong-Maw Hwang, Yi-Kai Lin, Taylan Altan. Evaluation of tubular materials by a hydraulic bulge test[J], International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47: 343-351。多环方法参见A. El-Morsy, N. Akkus, K. Manabe, H. Nishimura. Evaluation of superplastic characteristics of tubular materials by multi-tube bulge test[J], Materials Letters, 2006, 60: 559–564。环形鼓胀方法的优点是变形相对集中，测量和解析较整体鼓胀方法容易。不足是：1）局部塑性变形部位预测及测量困难，应变极限仍然较小（0.20左右）；2）全部壁厚胀形所需加载压力大；3）夹持装置复杂，试验成本高。
侧凸鼓胀试验方法是单环鼓胀试验方法在定位方面的改进，鼓胀不再是环形，而是集中在某一径向，胀形后成为“T”型结构，如Y.M. Hwang, T.C. Lin, W.C. Chang. Experiments on T-shape hydroforming with counter punch[J], Journal of Materials Processing Technology, 2007, 192–193: 243–248。该方法的变形预测定位较环形鼓胀容易，但加载压力大、夹持及试验装置复杂的不足依然存在。
上述为已有技术文献中关于管材性能的试验方法，这些方法可分为两大类，单轴拉伸试验方法和管材环向或径向鼓胀方法。单轴拉伸试验方法已公认难以准确描述管材全面和真实的力学性能，而几种现有鼓胀试验方法存在应变极限小、加载压力高、装置复杂等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有管材力学性能试验方法存在的不足而提出一种管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置及试验方法。
本发明采用以下技术方案予以实现：
管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置，包括压力变送器侧堵头、进液侧堵头、试验管段、进液接头、进液侧密封垫、压力变送器、压力变送器侧密封垫、管段支持架、管壁余厚鼓胀区、直线位移传感器、位移传感器定位架、加压液池、加压泵、缓冲罐、数据采集系统、计算机。
所述压力变送器侧堵头、进液侧堵头与试验管段形成鼓胀试验的加压空间，所述进液接头和进液侧密封垫形成进液侧密封，所述压力变送器与压力变送器侧密封垫形成另外一侧的密封；所述试验管段由管段支持架固定，试验管段的最小长度根据管端影响确定，在管壁余厚鼓胀区的中央点上，法向设置直线位移传感器，并由位移传感器定位架固定，保证与管壁余厚鼓胀区初始平面的垂直度；所述加压液池、加压泵、缓冲罐、进液接头依次连接，压力变送器、数据采集系统、计算机依次连接，直线位移传感器与数据采集系统相连。
作为本发明的进一步改进，所述管壁余厚鼓胀区为矩形平面缩进结构。
作为本发明的进一步改进，所述管壁余厚鼓胀区为圆形平面缩进结构。
管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀试验方法，包括如下步骤：
A、液体由加压液池吸入加压泵，经缓冲罐稳压后，进入试验管段的内腔，加压速率控制为准静态范围，随着液压的不断上升，管壁余厚鼓胀区由初始的外侧平面形状不断膨出，最大挠曲高度一直发生在中央点处，直至管壁余厚鼓胀区发生破裂；
B、数据采集系统同步采集分别由压力变送器和直线位移传感器产生的加压液压和中央点处挠度的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机，通过计算机中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
基于上述试验方法的管材真实应力应变关系获得方法，包括如下步骤：
A、首先进行管材的单轴拉伸试验，获得单向拉伸条件下的应力应变关系数学模型，以此作为初始材料模型；
B、对管壁缩进平面的余厚鼓胀进行有限元分析，获得液压-余厚中央点挠曲高度，即p-h关系模拟结果；
C、模拟结果曲线与权利要求4所述试验方法的试验结果，即p-h *关系曲线进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差，则根据比较情况修正应力应变关系模型的参量，重新进行鼓胀变形的有限元分析，使得模拟p-h关系不断逼近试验p-h *关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系。
本发明的有益效果是：
（1）从初始变形至塑性拉伸失稳直至破裂发生，最大应变位置始终稳定为缩进平面的中央，这一优点特别便于测量的准确定位。
（2）易于实现从初始变形至接近拉伸失稳的变形全过程测量，使得测量应变范围接近了全范围。
（3）通过管壁缩进平面尺寸和余厚大小可以控制最大液压值，其大小明显小于现有技术的鼓胀液压值，从而可以简化试验装置。
（4）变形集中于局部区域，变形能量显著低于现有的管材鼓胀试验方法，仅需控制管材及位移传感器的形位，不需要复杂的夹持装置，使得试验装置极大简化，同时试验更加安全。
（5）上述优点带来的其他有益效果，如节能、提高测量效率、高精度等。
附图说明
图1是本发明的试验装置结构示意图；
图2是本发明的矩形平面缩进结构示意图；
图3是图2中矩形平面缩进结构沿A-A线的剖视图；
图4是本发明的圆形平面缩进结构示意图；
图5是图4中圆形平面缩进结构沿B-B线的剖视图；
图6是本发明实施例的试验方法框图。
图中：1、压力变送器侧堵头，2、压力变送器侧密封垫，3、管段支持架，4、加压液池，5、加压泵，6、缓冲罐，7、试验管段，8、进液侧堵头，9、进液接头，10、进液侧密封垫，11、位移传感器定位架，12、直线位移传感器，13、管壁余厚鼓胀区，14、压力变送器，15、数据采集系统，16、计算机，13-1a、矩形缩进平面方式的余厚中央点，13-2a、矩形缩进平面，13-3a、矩形缩进平面方式的管壁余厚，13-1b、圆形缩进平面方式的余厚中央点，13-2b、圆形缩进平面，13-3b、圆形缩进平面方式的管壁余厚。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，压力变送器侧堵头1、进液侧堵头8与试验管段7形成鼓胀试验的加压空间，试验管段7需根据管端影响控制最小长度，进液接头9和进液侧密封垫10形成进液侧密封，压力变送器14与压力变送器侧密封垫2形成另外一侧的密封。试验管段7由管段支持架3固定，在管壁余厚鼓胀区13的中央点上，法向设置直线位移传感器12，并由位移传感器定位架11固定，保证与管壁余厚鼓胀区13初始平面的垂直度。
试验时，液体由加压液池4吸入加压泵5，经缓冲罐6稳压后，进入试验管段7的内腔，加压速率控制为准静态范围，随着液压的不断上升，管壁余厚鼓胀区13由初始的外侧平面形状不断膨出，最大挠曲高度一直发生在中央点处，直至管壁余厚鼓胀区13发生破裂。数据采集系统15同步采集分别由压力变送器14和直线位移传感器12产生的加压液压和中央点处挠度的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机16，通过计算机16中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
参照图2、图3和图4、图5，分别表示矩形平面缩进结构和圆形平面缩进结构。本发明创新性在于管壁缩进平面的局部鼓胀，适用和保护范围并不局限于图2、图3和图4、图5两种缩进平面结构。图2、图3和图4、图5表示的是两种典型的缩进平面方式，前者为横向贯通的缩进平面，后者为圆形缩进平面。两种典型的缩进平面方式的余厚中央点13-1a或13-1b位于缩进平面的形心位置，便于直线位移传感器12的安装定位。矩形缩进平面13-2a或圆形缩进平面13-2b的尺寸以及两种典型的缩进平面方式的管壁余厚13-3a或13-3b的大小根据试验管材的直径及壁厚安排设定。
图6表示了基于本发明鼓胀试验的管材真实应力应变关系获得方法，图6中的p表示加压液压值，h表示余厚中央点挠曲高度有限元计算值，h*为本发明鼓胀试验获得的余厚中央点挠曲高度。首先进行管材的单轴拉伸试验，获得单向拉伸条件下的应力应变关系数学模型，以此作为初始材料模型，对管壁缩进平面的余厚鼓胀进行有限元分析，获得液压-余厚中央点挠曲高度（p-h）关系模拟结果，模拟结果曲线与本发明管壁缩进平面余厚鼓胀试验结果（p-h*）关系曲线进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差，则根据比较情况修正应力应变关系模型的参量，重新进行鼓胀变形的有限元分析，使得模拟p-h关系不断逼近试验p-h*关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系。
综上所述，本发明通过管材外侧沿径向进行平面缩进的方法减少管壁厚度，从而降低胀形液压，达到了简化加载装置的目的；通过将管壁鼓胀范围从现有技术中的较大区域，集中到平面缩进的局部区域，实现了准确定位以及方便测量；通过将现有技术中的管壳鼓胀改变为内单曲外平面的变厚薄板鼓胀，通过控制余厚大小和平面尺寸控制所需的液压值；利用内单曲外平面变厚薄板胀形过程共同遵循变形几何关系、材料本构关系以及静力平衡关系的原理，结合有限元分析方法，采用易于测量的中央法向挠度这一特征参量，以试验值与模拟值的比较逐步逼近真实的应力应变关系。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置，其特征在于：包括压力变送器侧堵头（1）、进液侧堵头（8）、试验管段（7）、进液接头（9）、进液侧密封垫（10）、压力变送器（14）、压力变送器侧密封垫（2）、管段支持架（3）、管壁余厚鼓胀区（13）、直线位移传感器（12）、位移传感器定位架（11）、加压液池（4）、加压泵（5）、缓冲罐（6）、数据采集系统（15）、计算机（16）；
所述压力变送器侧堵头（1）、进液侧堵头（8）与试验管段（7）形成鼓胀试验的加压空间，所述进液接头（9）和进液侧密封垫（10）形成进液侧密封，所述压力变送器（14）与压力变送器侧密封垫（2）形成另外一侧的密封；所述试验管段（7）由管段支持架（3）固定，试验管段（7）的最小长度根据管端影响确定，在管壁余厚鼓胀区（13）的中央点上，法向设置直线位移传感器（12），并由位移传感器定位架（11）固定，保证与管壁余厚鼓胀区（13）初始平面的垂直度；所述加压液池（4）、加压泵（5）、缓冲罐（6）、进液接头（9）依次连接，压力变送器（14）、数据采集系统（15）、计算机（16）依次连接，直线位移传感器（12）与数据采集系统（15）相连；
所述管壁余厚鼓胀区（13）为通过管材外侧沿径向进行平面缩进的方法减少管壁厚度得到的内单曲、外平面的变厚薄板，即管壁余厚鼓胀区（13）的中心厚度最小，从中心沿径向厚度逐渐变大，管壁余厚鼓胀区（13）的下表面的弯曲程度和管材内壁保持一致，上表面为平面。
2.根据权利要求1所述的管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置，其特征在于：所述管壁余厚鼓胀区（13）为矩形平面缩进结构。
3.根据权利要求1所述的管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀装置，其特征在于：所述管壁余厚鼓胀区（13）为圆形平面缩进结构。
4.管材力学性能测试管壁平面缩进余厚鼓胀试验方法，包括如下步骤：
A、液体由加压液池（4）吸入加压泵（5），经缓冲罐（6）稳压后，进入试验管段（7）的内腔，加压速率控制为准静态范围，随着液压的不断上升，管壁余厚鼓胀区（13）由初始的外侧平面形状不断膨出，最大挠曲高度一直发生在中央点处，直至管壁余厚鼓胀区（13）发生破裂；所述管壁余厚鼓胀区（13）为通过管材外侧沿径向进行平面缩进的方法减少管壁厚度得到的内单曲、外平面的变厚薄板，即管壁余厚鼓胀区（13）的中心厚度最小，从中心沿径向厚度逐渐变大，管壁余厚鼓胀区（13）的下表面的弯曲程度和管材内壁保持一致，上表面为平面；
B、数据采集系统（15）同步采集分别由压力变送器（14）和直线位移传感器（12）产生的加压液压和中央点处挠度的模拟信号，并转化为数字信号传入计算机（16），通过计算机（16）中的软件实施采集的控制以及数据的保存。
5.基于权利要求4所述试验方法的管材真实应力应变关系获得方法，包括如下步骤：
A、首先进行管材的单轴拉伸试验，获得单向拉伸条件下的应力应变关系数学模型，以此作为初始材料模型；
B、对管壁缩进平面的余厚鼓胀进行有限元分析，获得液压-余厚中央点挠曲高度，即p-h关系模拟结果；
C、模拟结果曲线与权利要求4所述试验方法的试验结果，即p-h*关系曲线进行比较，观察是否符合比较判据，如果超过允差，则根据比较情况修正应力应变关系模型的参量，重新进行鼓胀变形的有限元分析，使得模拟p-h关系不断逼近试验p-h*关系曲线，直至满足比较判据，此时的应力应变关系即为准真实的应力应变关系；
其中，p表示加压液压值，h表示余厚中央点挠曲高度有限元计算值，h*为鼓胀试验获得的余厚中央点挠曲高度值。
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