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板料成形极限FLC快速测定(3D-DIC)


板料成形是一种非常重要的材料加工技术,在航空、航天、船舶、汽车等国民经济部门被广泛应用。而板料的成形极限是衡量板料塑性成形性能的重要指标。以极限应变构成的成形极限图]( Forming Limit Diagram, FLD) 常被用于确定指定的材料在受到拉伸、胀形或拉伸胀形结合时能够达到的变形程度,为评价板料成形性能以及改进成形工艺提供技术基础和实用判据 。

测定FLD 的方法通常有三种[4]:(1) 理论计算;(2) 数值模拟;(3) 实验测定。理论计算成形极限主要利用不同的拉伸失稳准则作为判断发生颈缩与破裂的条件来进行解析的,但由于每种准则适用范围有限,使得计算结果与试验结果之间有一定差距。数值模拟可以在一定程度上代替理论计算来获得材料的成形极限曲线, 但模拟结果的精度受操作者经验水平的影响很大。而在实验室条件下根据标准实验测定极限应变并建立材料FLD的实验方法,可以获得较真实、可靠的FLD,目前应用最为广泛。GB/T 24171.2-2009和ISO /FDIS 12004-2-2008标准中对于实验法测定成形极限图都有详细说明,然而国内受已有应变测量手段和设备的限制,仍很难获得失稳前的极限变形量。


极限应变是实验法测定成形极限图的关键。传统的测量手段一般利用单个圆形图案在板料产生变形时近似变成椭圆的性质,采用工业软尺或工具显微镜直接测量椭圆的长轴和短轴长度近似获取单个圆所在区域的最大、最小主应变。1988年,Vogel, J. 和Lee, D. [5]提出一种基于双目立体视觉的钣金件表面应变测量及分析方法。2002年,于德弘等研究采用圆形坐标网格对板料拉延件进行应变测量。2003年,Hsu, Q. C.提出结合数字图像处理方法自动计算单个圆变形参数, 但由于该方法处理的是在二维平台上经光学投影后的网格图像,所以存在一定的测量误差。尽管上述方法可在一定程度上满足应变测量的要求,但仍存在不足:(1) 以离线方式(工业软尺、工具显微镜)得到应变数据,对操作者的依赖性较大,精度和效率都不高。(2) 网格应变测量方法的绘制工作量较大,且精度一般。(3) 只能对成形的最终状态进行测量,不能或很难进行变形过程的动态监控, 而实验中又很难保证成形最终状态是试件表面刚好出现局部颈缩的极限状态。


为了克服现有应变测量方法的不足,引入基于数字图相关法的板料成形极限应变的全场动态测量方法。数字图像相关方法 (Digital image correlation—DIC) 最初由W. H. Peters 和M. A. Sutton等[10,11]提出,通过跟踪和匹配变形前后所采集图像的灰度信息,来测量物体在各种载荷作用下表面整体的瞬时位移场和应变场,具有非接触、精度高、光路简单,受环境影响小,自动化程度高等优点。本文将数字图像相关法和双目立体视觉技术相结合,提出并实现一种板料成形极限应变测量的方法,并研制了测量板料成形极限的实验装置。实验结果表明本文方法可以测量大变形下的极限应变以建立材料的FLD,与传统方法相比优势明显。

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 图 1 实验装置硬件组成示意图
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图 2 图像采集装置
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图 3 所开发软件的界面

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 图 4 图像相关法原理图
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 图 5 大变形多步匹配示意图

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图 6 截面线创建
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图 7 截面线数据拟合
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 图 8 实验现场
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图 9 杯突成形后试件
 
图 10 试件外形和尺寸示意图
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图 11 实验得到的SPCC钢板的成形极限图
 
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图 12 80mm宽试件在不同变形状态的表面轮廓及应变分布

 

结论: 
(1) 提出了一种基于数字图像相关法的板料成形极限应变测量方法,并研制了用于板料成形极限应变测量的试验装置。
(2) 测量非接触,能够在几分钟内完成一个试样应变数据的测量,并可一次性获得大量测量数据。
(3) 不仅可以测量板料成形最终状态的应变,而且能够快速、直观地测量板料试件在整个成形过程中的表面应变分布。
(4) 能够克服传统一些应变测量方法的不足,如难以重复定位,使用复杂费时,不能在线测量等,为解决板料成形极限应变测量的难题提供了一种有效手段。


 

 
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
电子邮件: xjtops@163.com  网站: www.xjtudic.com  www.xjtops.com  www.3dthink.cn

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