管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置及試驗方法

2023-05-15 19:07:26

管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置及試驗方法。該裝置包括壓力變送器側堵頭、進液側堵頭、試驗管段、進液接頭、進液側密封墊、壓力變送器、壓力變送器側密封墊、管段支持架、管壁餘厚鼓脹區、直線位移傳感器、位移傳感器定位架、加壓液池、加壓泵、緩衝罐、數據採集系統、計算機，管壁餘厚鼓脹區為矩形平面縮進結構或圓形平面縮進結構。本發明從初始變形至塑性拉伸失穩直至破裂發生，最大應變位置始終穩定為縮進平面的中央，便於測量的準確定位；易於測量，測量應變範圍接近全範圍；簡化了試驗裝置；變形集中於局部區域，僅需控制管材及位移傳感器的形位，不需複雜的夾持裝置，使試驗裝置極大簡化，試驗更加安全。
【專利說明】管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置及試驗方法【技術領域】
[0001]本發明涉及材料力學性能試驗【技術領域】，特別涉及一種測量大應變範圍管材真實應力應變關係的試驗方法。
【背景技術】
[0002]在許多工業領域中輕質零件的應用日益趨重，更大應變範圍和更加精確的管材力學性能可以顯著提高成形工藝參數的精度以及數值模擬結果的準確性。
[0003]管材力學性能測試目前最多採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點是試件簡單，方法傳統。不足主要是:1)所測得的應力和應變是一定意義上的平均值(引伸計標距範圍或試件標距範圍);2)總體處於單向應力狀態難以準確預測雙向應力狀態的力學行為；3)容易較早進入局部變形階段，極限應變值小(通常不及雙向拉伸試驗的一半)，無法獲得材料全應變範圍的應力應變關係。
[0004]整體鼓脹試驗方法，直接在截取的管段內部加壓，力學模型相當於承受內壓的圓筒形容器(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)。該方法的優點是試樣簡單，彈性範圍測量簡便，無需試驗夾具。不足是當進入塑性大應變階段，變形集中於局部區域時，預先定位及測量難，導致測量應變範圍小。
[0005]單環和多環鼓脹試驗方法，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向鼓脹，分別成為單環和多環鼓脹。單環方法可參見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。環形鼓脹方法的優點是變形相對集中，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測及測量困難，應變極限仍然較小(0.20左右)；2)全部壁厚脹形所需加載壓力大；3)夾持裝置複雜，試驗成本高。
[0006]側凸鼓脹試驗方法是單環鼓脹試驗方法在定位方面的改進，鼓脹不再是環形，而是集中在某一徑向，脹形後成為「T」型結構，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。該方法的變形預測定位較環形鼓脹容易，但加載壓力大、夾持及試驗裝置複雜的不足依然存在。
[0007]上述為已有技術文獻中關於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性能，而幾種現有鼓脹試驗方法存在應變極限小、加載壓力高、裝置複雜等不足。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在於克服現有管材力學性能試驗方法存在的不足而提出一種管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置及試驗方法。
[0009]本發明採用以下技術方案予以實現:
管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置，包括壓力變送器側堵頭、進液側堵頭、試驗管段、進液接頭、進液側密封墊、壓力變送器、壓力變送器側密封墊、管段支持架、管壁餘厚鼓脹區、直線位移傳感器、位移傳感器定位架、加壓液池、加壓泵、緩衝罐、數據採集系統、計算機。
[0010]所述壓力變送器側堵頭、進液側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密封墊形成進液側密封，所述壓力變送器與壓力變送器側密封墊形成另外一側的密封；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管端影響確定，在管壁餘厚鼓脹區的中央點上，法向設置直線位移傳感器，並由位移傳感器定位架固定，保證與管壁餘厚鼓脹區初始平面的垂直度；所述加壓液池、加壓泵、緩衝罐、進液接頭依次連接，壓力變送器、數據採集系統、計算機依次連接，直線位移傳感器與數據採集系統相連。
[0011]作為本發明的進一步改進，所述管壁餘厚鼓脹區為矩形平面縮進結構。
[0012]作為本發明的進一步改進，所述管壁餘厚鼓脹區為圓形平面縮進結構。
[0013]管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹試驗方法，包括如下步驟:
A、液體由加壓液池吸入加壓泵，經緩衝罐穩壓後，進入試驗管段的內腔，加壓速率控制為準靜態範圍，隨著液壓的不斷上升，管壁餘厚鼓脹區由初始的外側平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發生在中央點處，直至管壁餘厚鼓脹區發生破裂；
B、數據採集系統同步採集分別由壓力變送器和直線位移傳感器產生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，並轉化為數位訊號傳入計算機，通過計算機中的軟體實施採集的控制以及數據的保存。
[0014]基於上述試驗方法的管材真實應力應變關係獲得方法，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力應變關係數學模型，以此作為初始材料模型；
B、對管壁縮進平面的餘厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-餘厚中央點撓曲高度，即P~h關係模擬結果；
C、模擬結果曲線與權利要求4所述試驗方法的試驗結果，即關係曲線進行比較，觀察是否符合比較判據，如果超過允差，則根據比較情況修正應力應變關係模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬關係不斷逼近試驗關係曲線，直至滿足比較判據，此時的應力應變關係即為準真實的應力應變關係。
[0015]本發明的有益效果是:
(I)從初始變形至塑性拉伸失穩直至破裂發生，最大應變位置始終穩定為縮進平面的中央，這一優點特別便於測量的準確定位。[0016](2)易於實現從初始變形至接近拉伸失穩的變形全過程測量，使得測量應變範圍接近了全範圍。
[0017](3)通過管壁縮進平面尺寸和餘厚大小可以控制最大液壓值，其大小明顯小於現有技術的鼓脹液壓值，從而可以簡化試驗裝置。
[0018](4)變形集中於局部區域，變形能量顯著低於現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，不需要複雜的夾持裝置，使得試驗裝置極大簡化，同時試驗更加安全。
[0019](5)上述優點帶來的其他有益效果，如節能、提高測量效率、高精度等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的試驗裝置結構示意圖；
圖2是本發明的矩形平面縮進結構示意圖；
圖3是圖2中矩形平面縮進結構沿A-A線的剖視圖；
圖4是本發明的圓形平面縮進結構示意圖；
圖5是圖4中圓形平面縮進結構沿B-B線的剖視圖；
圖6是本發明實施例的試驗方法框圖。
[0021]圖中:1、壓力變送器側堵頭，2、壓力變送器側密封墊，3、管段支持架，4、加壓液池，
5、加壓泵，6、緩衝罐，7、試驗管段，8、進液側堵頭，9、進液接頭，10、進液側密封墊，11、位移傳感器定位架，12、直線位移傳感器，13、管壁餘厚鼓脹區，14、壓力變送器，15、數據採集系統，16、計算機,13_la、矩形縮進平面方式的餘厚中央點，13_2a、矩形縮進平面，13_3a、矩形縮進平面方式的管壁餘厚，13-lb、圓形縮進平面方式的餘厚中央點，13-2b、圓形縮進平面，13-3b、圓形縮進平面方式的管壁餘厚。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0023]參照圖1，壓力變送器側堵頭1、進液側堵頭8與試驗管段7形成鼓脹試驗的加壓空間，試驗管段7需根據管端影響控制最小長度，進液接頭9和進液側密封墊10形成進液側密封，壓力變送器14與壓力變送器側密封墊2形成另外一側的密封。試驗管段7由管段支持架3固定，在管壁餘厚鼓脹區13的中央點上，法向設置直線位移傳感器12，並由位移傳感器定位架11固定，保證與管壁餘厚鼓脹區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，經緩衝罐6穩壓後，進入試驗管段7的內腔，加壓速率控制為準靜態範圍，隨著液壓的不斷上升，管壁餘厚鼓脹區13由初始的外側平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發生在中央點處，直至管壁餘厚鼓脹區13發生破裂。數據採集系統15同步採集分別由壓力變送器14和直線位移傳感器12產生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，並轉化為數位訊號傳入計算機16，通過計算機16中的軟體實施採集的控制以及數據的保存。
[0025]參照圖2、圖3和圖4、圖5，分別表示矩形平面縮進結構和圓形平面縮進結構。本發明創新性在於管壁縮進平面的局部鼓脹，適用和保護範圍並不局限於圖2、圖3和圖4、圖5兩種縮進平面結構。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，後者為圓形縮進平面。兩種典型的縮進平面方式的餘厚中央點13-la或13-lb位於縮進平面的形心位置，便於直線位移傳感器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餘厚13-3a或13-3b的大小根據試驗管材的直徑及壁厚安排設定。
[0026]圖6表示了基於本發明鼓脹試驗的管材真實應力應變關係獲得方法，圖6中的P表示加壓液壓值，h表示餘厚中央點撓曲高度有限元計算值，h*為本發明鼓脹試驗獲得的餘厚中央點撓曲高度。首先進行管材的單軸拉伸試驗，獲得單向拉伸條件下的應力應變關係數學模型，以此作為初始材料模型，對管壁縮進平面的餘厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-餘厚中央點撓曲高度(p-h)關係模擬結果，模擬結果曲線與本發明管壁縮進平面餘厚鼓脹試驗結果(p-h*)關係曲線進行比較，觀察是否符合比較判據，如果超過允差，則根據比較情況修正應力應變關係模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬p-h關係不斷逼近試驗P-h*關係曲線，直至滿足比較判據，此時的應力應變關係即為準真實的應力應變關係。
[0027]綜上所述，本發明通過管材外側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；通過將管壁鼓脹範圍從現有技術中的較大區域，集中到平面縮進的局部區域，實現了準確定位以及方便測量；通過將現有技術中的管殼鼓脹改變為內單曲外平面的變厚薄板鼓脹，通過控制餘厚大小和平面尺寸控制所需的液壓值；利用內單曲外平面變厚薄板脹形過程共同遵循變形幾何關係、材料本構關係以及靜力平衡關係的原理，結合有限元分析方法，採用易於測量的中央法向撓度這一特徵參量，以試驗值與模擬值的比較逐步逼近真實的應力應變關係。
[0028]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置，其特徵在於:包括壓力變送器側堵頭(I)、進液側堵頭(8)、試驗管段(7)、進液接頭(9)、進液側密封墊(10)、壓力變送器(14)、壓力變送器側密封墊(2)、管段支持架(3)、管壁餘厚鼓脹區(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)、緩衝罐(6)、數據採集系統(15)、計算機(16)； 所述壓力變送器側堵頭(I)、進液側堵頭(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)和進液側密封墊(10)形成進液側密封，所述壓力變送器(14)與壓力變送器側密封墊(2)形成另外一側的密封；所述試驗管段(7)由管段支持架(3)固定，試驗管段(7)的最小長度根據管端影響確定，在管壁餘厚鼓脹區(13)的中央點上，法向設置直線位移傳感器(12)，並由位移傳感器定位架(11)固定，保證與管壁餘厚鼓脹區(13)初始平面的垂直度；所述加壓液池(4)、加壓泵(5)、緩衝罐(6)、進液接頭(9)依次連接，壓力變送器(14)、數據採集系統(15)、計算機(16)依次連接，直線位移傳感器(12)與數據採集系統(15)相連。
2.根據權利要求1所述的管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置，其特徵在於:所述管壁餘厚鼓脹區(13)為矩形平面縮進結構。
3.根據權利要求1所述的管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹裝置，其特徵在於:所述管壁餘厚鼓脹區(13)為圓形平面縮進結構。
4.管材力學性能測試管壁平面縮進餘厚鼓脹試驗方法，包括如下步驟: A、液體由加壓液池(4)吸入加壓泵(5)，經緩衝罐(6)穩壓後，進入試驗管段(7)的內腔，加壓速率控制為準靜態範圍，隨著液壓的不斷上升，管壁餘厚鼓脹區(13)由初始的外側平面形狀不斷膨出，最大撓曲高度一直發生在中央點處，直至管壁餘厚鼓脹區(13)發生破裂; B、數據採集系統(15)同步採集分別由壓力變送器(14)和直線位移傳感器(12)產生的加壓液壓和中央點處撓度的模擬信號，並轉化為數位訊號傳入計算機(16)，通過計算機(16)中的軟體實施採集的控制以及數據的保存。
5.基於權利要求4所述試驗方法的管材真實應力應變關係獲得方法，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力應變關係數學模型，以此作為初始材料模型； B、對管壁縮進平面的餘厚鼓脹進行有限元分析，獲得液壓-餘厚中央點撓曲高度，即P~h關係模擬結果； C、模擬結果曲線與權利要求4所述試驗方法的試驗結果，即關係曲線進行比較，觀察是否符合比較判據，如果超過允差，則根據比較情況修正應力應變關係模型的參量，重新進行鼓脹變形的有限元分析，使得模擬關係不斷逼近試驗關係曲線，直至滿足比較判據，此時的應力應變關係即為準真實的應力應變關係。
【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 優先權日:2013年10月18日
【發明者】高光藩, 孫亮, 邱小波, 龐明軍, 程實然 申請人:常州大學