技术领域
[0001] 本
发明涉及金属板材塑性加工技术领域，特别是涉及一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置及方法。
背景技术
[0002] 随着航天、航空、
汽车以及国防工业等高端精密装备行业中零件轻量化制造的趋势不断发展，板料减薄和强度提高等因素使得零件成形过程中贴膜性和定型性降低，进而造成金属板材在塑性加工过程中极易发生起皱失稳。此外，金属薄壁结构件成形过程中一直伴有复杂的
接触和摩擦边界条件，因此在薄壁结构件中不可避免地产生不均匀的压缩应
力。由压缩
应力引起的起皱现象在塑性加工领域非常常见，如典型
拉深成形工艺试验中的
法兰起皱，因而，起皱失稳成为金属板材成形过程中的主要障碍和
缺陷。零件在成形过程中一旦发生起皱失稳，不仅影响加工零件的成形
质量和
精度，对与试件接触的模具表面造成磨损，影响零件的后续加工质量。对金属板材中的起皱失稳进行研究是科研工作者积极探讨的问题。
[0003] 金属板材的起皱失稳研究始于物理实验研究。目前，用于研究起皱失稳的实验方法很多，按其性质可以分为两类：一类是为了模拟板材的失稳基本机理而设计的特殊形状样本的简单测试实验，如方板拉伸实验(YBT)、圆盘皱曲实验(disc-wrinkling test)、方板皱曲实验(square-plate wrinkling test)等。其中在学术界被广为熟知并广泛使用的实验是日本学者吉田青太(Yoshida)在上世纪八十年代提出的方板对
角拉伸试验YBT(Yoshida Buckling Test)，该试验一经提出，在学术界引起了巨大的轰动，全球学者或纷纷效仿方板对角拉伸试验YBT，或在此
基础上改进方板对角拉伸试验YBT研究起皱失稳问题。这类实验虽然方便采集实验数据，便于建立相应的理论和数值模拟模型，讨论材料参数对临界起皱的影响，但是每种实验最终得到的起皱形貌都是单个皱纹的形式，与板料成形实验中的实际失稳起皱形貌有一定的差距。另一类是具有简单几何形状的典型试件的成形实验，例如斯威夫特杯实验(swift cup test)、环形板拉深实验(annular plate drawingtest)等；这类实验的结果虽然能更加接近真实起皱效果，其局限性在于不便于采集实验数据，且临界失稳状态及起皱形貌不便于观测。
[0004] 现有的方板对角拉伸实验装置在试验过程中需要采用双动拉伸机，这对于没有配备此种拉伸机的科研人员提出了挑战，并且由于现有实验装置采用的都是不透明的材料加工而成，导致无法实时的观察试样的起皱失稳过程，临界起皱状态也无法精确观测，且对起皱失稳皱纹的检测方法不够先进，只能对板材起皱失稳最终的皱纹进行检测，不能实时观测起皱区的应变
云图分布特征，并且只能肉眼观察，不适用于板材起皱失稳中存在的小皱纹的情况。因此，亟需一种符合实际边界条件并且能够准确观测起皱失稳的应变分布特征的实验装置及方法。
发明内容
[0005] 为解决以上技术问题，本发明提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置及方法，符合实际边界条件并且能够准确实时观测起皱失稳的应变分布特征，适用于不同形状和尺寸的试样。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 本发明提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置，包括连接组件、左
支撑部件、左支撑
块、左夹具、右支撑部件、右支撑块、右夹具、前约束平板、后约束平板和在线应变测量系统，所述左支撑部件和所述右支撑部件对称固定于所述连接组件下端的两侧，所述连接组件用于与万能材料拉伸试验机连接，所述左支撑块与所述左支撑部件转动连接，所述右支撑块与所述右支撑部件转动连接，所述左支撑块和所述右支撑块均由上至下向内侧倾斜设置，所述左夹具固定于所述左支撑块上，所述右夹具固定于所述右支撑块上，所述左夹具和所述右夹具用于限制试样的两个侧边的法向运动，所述前约束平板和所述后约束平板分别放置于所述试样的前侧和后侧，所述前约束平板和所述后约束平板可拆卸连接，且所述前约束平板和所述后约束平板之间的间隙可调，所述前约束平板和所述后约束平板均为透明板，所述在线应变测量系统用于对所述试样起皱区形成的多皱纹进行在线实时拍照观测。
[0008] 优选地，所述连接组件包括横梁、固定块和连接
螺柱，所述左支撑部件和所述右支撑部件对称固定于所述横梁的下端，所述固定块固定于所述横梁上端的中部，所述连接螺柱
螺纹连接于所述固定块上端的中部，所述连接螺柱上设置有
螺母。
[0009] 优选地，所述左支撑块的下端通过第一调节件安装于所述左支撑部件内侧的下端，所述左支撑部件上设置有第一弧形孔，所述左支撑块上设置有第二弧形孔，所述第一弧形孔与所述第二弧形孔
位置相对应，所述第一弧形孔和所述第二弧形孔上安装有第二调节件和第三调节件，通过调整所述第一调节件、所述第二调节件和所述第三调节件能够调节所述左支撑块的倾斜角度。
[0010] 优选地，所述左夹具通过第一螺钉安装于所述左支撑块向右倾斜的侧面上。
[0011] 优选地，所述右支撑块的下端通过第四调节件安装于所述右支撑部件内侧的下端，所述右支撑部件上设置有第三弧形孔，所述右支撑块上设置有第四弧形孔，所述第三弧形孔与所述第四弧形孔位置相对应，所述第三弧形孔和所述第四弧形孔上安装有第五调节件和第六调节件，通过调整所述第四调节件、所述第五调节件和所述第六调节件能够调节所述右支撑块的倾斜角度。
[0012] 优选地，所述右夹具通过第二螺钉安装于所述右支撑块向左倾斜的侧面上。
[0013] 优选地，还包括多个第七调节件，所述前约束平板上设置有多个第一通孔，所述后约束平板上设置有多个第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔一一对应，相对应的所述第一通孔和所述第二通孔上安装有一个所述第七调节件，通过调整第七调节件能够调节所述前约束平板和所述后约束平板之间的间隙。
[0014] 优选地，所述前约束平板和所述后约束平板均为透明亚克力平板，所述前约束平板和所述后约束平板形状相同，且所述前约束平板和所述后约束平板均为倒梯形板。
[0015] 本发明还提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置的实验方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤a：制备多组不同尺寸和形状的楔形的所述试样，在每个所述试样的表面上先喷上白色哑光漆作为底漆，间隔一段时间，待底漆
风干之后，再在底漆上面喷上黑色哑光漆，使得所述试样表面上形成灰度均匀的黑白散斑；
[0017] 步骤b：通过所述连接组件与万能材料拉伸试验机连接，将所述试样放于所述左支撑块和所述右支撑块上，并且使得试样位于所述左夹具和所述右夹具之间，将所述前约束平板放置于所述左夹具和所述右夹具的前侧，将所述后约束平板放置于所述左夹具和所述右夹具的后侧，并连接所述前约束平板和所述后约束平板，使得所述试样位于所述前约束平板和所述后约束平板之间；
[0018] 步骤c：润滑与间隙的调节，将所述试样的两侧边进行打磨、
抛光，去除因试样制备留下的划痕，使用
润滑油对所述试样与所述左支撑块的接触面和所述右支撑块的接触面进行润滑；调节所述左夹具和所述右夹具的倾斜角度以适应不同尺寸和形状的所述试样；然后调节所述左夹具与所述试样之间的间隙，调节所述右夹具与所述试样之间的间隙；调节所述前约束平板和所述后约束平板之间的间隙，使所述试样与所述前约束平板和所述后约束平板之间有一定的间隙，通过万能材料拉伸试验机夹持所述试样的底端进行拉伸，来模拟典型
拉深成形工艺试验下的起皱失稳；
[0019] 步骤d：起皱失稳应变分布观测，采用所述在线应变测量系统对所述试样起皱区形成的多皱纹进行在线实时拍照观测，从而得到类似于法兰起皱的起皱区域的应变分布特征。
[0020] 本发明相对于
现有技术取得了以下技术效果：
[0021] 本发明提供的金属板材起皱失稳特征探究实验装置及方法，模拟了典型拉深成形工艺试验(法兰起皱)下的起皱失稳，能够变换不同的边界条件，满足金属板材在具有复杂边界条件的成形过程中起皱失稳形成多皱纹；该装置前约束平板和后约束平板均为透明板，能够利用在线应变测量系统实时观测起皱失稳过程中多皱纹状态下的起皱区应变场分布特征，且适用于存在小皱纹的起皱失稳情况，进而为探究金属板材在复杂边界条件下的起皱失稳机理提供试验基础。与现有的方板对角拉伸实验装置相比，能达到更接近于典型拉深成形工艺试验的起皱失稳形貌，实现了拉压
载荷性质下变换边界条件达到不同加载路径，实验时进行单端拉伸，无需使用双动拉伸机，还能够适用于不同形状和尺寸的试样。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023] 图1为本发明提供的金属板材起皱失稳特征探究实验装置的结构示意图；
[0024] 图2为图1中A-A向的剖视图；
[0025] 图3为本发明中试样的结构示意图；
[0026] 图4为本发明中在线应变测量系统的结构示意图。
[0027] 附图标记说明：1、试样；101、楔形部；102、夹持部；2、左支撑部件；3、第二调节件；4、左支撑块；5、左夹具；6、固定螺钉；7、固定块；8、螺母；9、连接螺柱；10、横梁；11、第二螺钉；12、右夹具；13、右支撑块；14、右支撑部件；15、前约束平板；16、第七调节螺钉；17、第七调节螺母；18、后约束平板；19、第一弧形孔；20、第四弧形孔。
具体实施方式
[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 本发明的目的是提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置及方法，符合实际边界条件并且能够准确实时观测起皱失稳的应变分布特征，适用于不同形状和尺寸的试样。
[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 如图1-4所示，本实施例提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置，包括连接组件、左支撑部件2、左支撑块4、左夹具5、右支撑部件14、右支撑块13、右夹具12、前约束平板15、后约束平板18和在线应变测量系统，左支撑部件2和右支撑部件14对称固定于连接组件下端的两侧，连接组件用于与万能材料拉伸试验机连接，左支撑块4与左支撑部件2转动连接，右支撑块13与右支撑部件14转动连接，左支撑块4和右支撑块13均由上至下向内侧倾斜设置，通过调节左支撑块4和右支撑块13的倾斜角度，使得该装置能够适用于不同形状和尺寸的试样1。具体地，试样1包括楔形部101和设置于楔形部101底端的夹持部102，其中楔形部101为
变形区，本实施例中的试样1为传统方板对角拉伸试验YBT试样的一半，节省了原材料。左夹具5固定于左支撑块4上，右夹具12固定于右支撑块13上，楔形部101的两个侧边分别放置于左支撑块4和右支撑块13上，通过左夹具5和右夹具12限制试样1的两个侧边的法向运动，前约束平板15和后约束平板18分别放置于试样1的前侧和后侧，前约束平板15和后约束平板18可拆卸连接，且前约束平板15和后约束平板18之间的间隙可调，通过调节左夹具5与试样1之间的间隙、右夹具12与试样1之间的间隙以及前约束平板15和后约束平板18之间的间隙使得该装置适用于不同厚度的试样1。前约束平板15和后约束平板18均为透明板，在线应变测量系统用于对试样1起皱区形成的多皱纹进行在线实时拍照观测。
[0032] 本发明提供的金属板材起皱失稳特征探究实验装置能够模拟典型拉深成形工艺试验(法兰起皱)下的起皱失稳，能够变换不同的边界条件，满足金属板材在具有复杂边界条件的成形过程中起皱失稳形成多皱纹；该装置前约束平板15和后约束平板18均为透明板，能够利用在线应变测量系统实时观测起皱失稳过程中多皱纹状态下的起皱区应变场分布特征，且适用于存在小皱纹的起皱失稳情况，进而为探究金属板材在复杂边界条件下的起皱失稳机理提供试验基础。与现有的方板对角拉伸实验装置相比，能达到更接近于典型拉深成形工艺试验的起皱失稳形貌，实现了拉压载荷性质下变换边界条件达到不同加载路径，实验时进行单端拉伸，无需使用双动拉伸机，还能够适用于不同形状、尺寸以及厚度的试样1，实现不同试样条件下对起皱失稳影响的研究。
[0033] 连接组件包括横梁10、固定块7和连接螺柱9，左支撑部件2和右支撑部件14对称固定于横梁10的下端，具体地，左支撑部件2和右支撑部件14
焊接固定于横梁10上，固定块7固定于横梁10上端的中部，具体地，固定块7通过固定螺钉6固定于横梁10上，连接螺柱9
螺纹连接于固定块7上端的中部，整个实验装置通过连接螺柱9与万能材料拉伸试验机连接，具体地，连接
螺栓带有全螺纹；连接螺柱9上设置有螺母8，螺母8与固定块7贴紧，能够防止整个实验装置转动。
[0034] 左支撑块4的下端通过第一调节件安装于左支撑部件2内侧的下端，左支撑部件2上设置有第一弧形孔19，左支撑块4上设置有第二弧形孔，第一弧形孔19与第二弧形孔位置相对应，第一弧形孔19和第二弧形孔上安装有第二调节件3和第三调节件，通过调整第一调节件、第二调节件3和第三调节件能够调节左支撑块4的倾斜角度。具体地，第一调节件包括第一调节螺钉和第一调节螺母，第二调节件3包括第二调节螺钉和第二调节螺母，第三调节件包括第三调节螺钉和第三调节螺母。当对左支撑块4进行角度调节时，使得第一调节螺母、第二调节螺母和第三调节螺母松动，转动左支撑块4即可，当调节好角度之后，拧紧第一调节螺母、第二调节螺母和第三调节螺母。
[0035] 左夹具5通过第一螺钉安装于左支撑块4向右倾斜的侧面上。具体地，左夹具5为现有技术中的夹具，该夹具包括平行设置的两个
夹板，两个夹板之间的间隙可调。
[0036] 右支撑块13的下端通过第四调节件安装于右支撑部件14内侧的下端，右支撑部件14上设置有第三弧形孔，右支撑块13上设置有第四弧形孔20，第三弧形孔与第四弧形孔20位置相对应，第三弧形孔和第四弧形孔20上安装有第五调节件和第六调节件，通过调整第四调节件、第五调节件和第六调节件能够调节右支撑块13的倾斜角度。具体地，第四调节件包括第四调节螺钉和第四调节螺母，第五调节件包括第五调节螺钉和第五调节螺母，第六调节件包括第六调节螺钉和第六调节螺母。当对右支撑块13进行角度调节时，使得第四调节螺母、第五调节螺母和第六调节螺母松动，转动右支撑块13即可，当调节好角度之后，拧紧第四调节螺母、第五调节螺母和第六调节螺母。
[0037] 右夹具12通过第二螺钉11安装于右支撑块13向左倾斜的侧面上。具体地，右夹具12为现有技术中的夹具，该夹具包括平行设置的两个夹板，两个夹板之间的间隙可调。
[0038] 本实施例中还包括多个第七调节件，第七调节件包括第七调节螺钉16和第七调节螺母17，前约束平板15上设置有多个第一通孔，后约束平板18上设置有多个第二通孔，第一通孔与第二通孔一一对应，相对应的第一通孔和第二通孔上安装有一个第七调节件，通过调整第七调节件能够调节前约束平板15和后约束平板18之间的间隙，具体地，通过拧动第七调节螺母17来调节二者之间的间隙。
[0039] 于本具体实施例中，前约束平板15和后约束平板18均为透明亚克力平板，前约束平板15和后约束平板18形状相同，且前约束平板15和后约束平板18均为倒梯形板。在线应变测量系统为非接触全场应变测量系统VIC-3D。
[0040] 如图3所示，本实施例中的试样1的楔形部101和夹持部102的连接处设置有两个方向相反的圆弧，两个圆弧的半径均为10mm，试样1整体高度为105mm，夹持部102的宽度为40mm，楔形部101的宽度为170mm，楔形部101的高度为48mm，楔形部101的顶边与侧边的夹角为45°。
[0041] 本实施例中还提供一种金属板材起皱失稳特征探究实验装置的实验方法，包括以下步骤：
[0042] 步骤a：制备多组不同尺寸和形状的楔形的试样1，在每个试样1的表面上先喷上白色哑光漆作为底漆，间隔一段时间，待底漆风干之后，再在底漆上面喷上黑色哑光漆，使得试样1表面上形成灰度均匀的黑白散斑；
[0043] 步骤b：通过连接组件与万能材料拉伸试验机连接，将试样1放于左支撑块4和右支撑块13上，并且使得试样1位于左夹具5和右夹具12之间，将前约束平板15放置于左夹具5和右夹具12的前侧，将后约束平板18放置于左夹具5和右夹具12的后侧，并连接前约束平板15和后约束平板18，使得试样1位于前约束平板15和后约束平板18之间；
[0044] 步骤c：润滑与间隙的调节，将试样1的两侧边进行打磨、抛光，去除因试样1制备留下的划痕，使用润滑油对试样1与左支撑块4的接触面和右支撑块13的接触面进行润滑；调节左夹具5和右夹具12的倾斜角度以适应不同尺寸和形状的试样1；然后调节左夹具5与试样1之间的间隙，调节右夹具12与试样1之间的间隙；调节前约束平板15和后约束平板18之间的间隙，使试样1与前约束平板15和后约束平板18之间有一定的间隙，通过万能材料拉伸试验机夹持试样1的底端进行拉伸，来模拟典型拉深成形工艺试验下的起皱失稳；
[0045] 步骤d：起皱失稳应变分布观测，采用在线应变测量系统对试样1起皱区形成的多皱纹进行在线实时拍照观测，从而得到类似于法兰起皱的起皱区域的应变分布特征。
[0046] 本
说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
