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数字图像相关法(散斑应变)在板料力学性能测试中的应用


数字图像相关法在板料力学性能测试中的应用
XJTUDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统

  

XJTUDIC系统硬件           各种应变计算和分析功能  


1. 板料的各向异性力学特性

由于板料在轧制过程中通常要经过大的变形,使得板料的晶粒取向出现向某些方向聚集的特点,这导致板料存在严重的各向异性宏观力学特性(图1)。板料的各向异性主要表现为屈服的各向异性和强化的各向异性(图2和图4),在板料成形的数值模拟中,如果CAE软件能够准确的描述这些力学特性,这将对提高有限元数值模拟精度有重要的意义。


 
图 1 由于板料各向异性而引起的拉深制耳现象


 
(a)                                                                                     (b)
图 2 板料拉伸加载下表现出的宏观各向异性(a. 拉伸试样与轧制方向所成角度示意图;b. 屈服应力和塑性应变比的各向异性)


  
(a)                                                               (b)

图 3 板料成形中材料的反向加载情况(a. 板料流过凸凹模圆角半径及拉延筋时示意图;b. 板料流过拉延筋时的多次反向加载情况示意图)


 
图 4 板料的反向加载情况下的力学特性(中碳钢)


2. 散斑应变测量在单向拉伸(压缩)实验中的应用
传统的获得板料在反向加载条件下力学特性的方法是通过拉伸-压缩实验,如下所示。


 


图 5 单向拉伸-压缩示意图(Ohio State University, USA)
  
图 6 单向拉伸-压缩实验装置及变形后的试样(Ohio State University, USA)


 图 7 单向拉伸-压缩示意图(Northwestern University, USA)
 
图 8 单向拉伸-压缩装置实物(Northwestern University, USA)


图 5~图 8的单向拉伸-压缩试验装置,由于引入了侧面的防起皱支撑块,使得应变的测量变的非常困难,传统的引伸计方法已经不是非常有效,必须采取新的测量手段,图 9为美国西北大学研制的透明的拉伸-压缩实验装置,通过非接触的光学应变测量方式获得了较准确的材料力学特性。
 


图 9单向拉伸-压缩装置实(Northwestern University, USA)


3. 散斑应变测量在简单剪切实验中的应用

上面采用拉伸-压缩方法获得材料反向加载力学特性的实验装置,由于板料容易压缩失稳,使得获得的压缩变形量不是很大,为了获得大的变形条件下材料的力学特性,学者们又研制了简单剪切实验装置。

图 10为法国南布列塔尼大学研制的简单剪切实验装置,采用非接触的散斑应变测量手段成功的获得了材料在大的反向加载下的力学特性。


 
(a) 简单剪切实验装置实物
 
(b) 剪切试样变形前后形状
图 10简单剪切实验装置实物及剪切试样变形前后形状(University of Brittaty, France)


4. 散斑应变测量在胀形实验中的应用


 
图 11 胀形零件示意图(University of Brittaty, France)

5. 散斑应变测量在双向拉伸实验中的应用

图 12为法国,Metz大学研制的双向拉伸实验装置示意图。图13为变形前后的试样形状。

 

图 12 双向拉伸试验装置示意图(University of Metz, France)
 
图 13双向拉伸试验装置示意图(University ofMetz, France)


采用非接触式的散斑应变测量系统,成功的获得了两个拉伸方向上的应变数据,克服了传统的贴应变片和引伸计的方式在这种加载情况下进行应变测量的困难。


 

 
Web www.xjtudic.com
 

西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
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