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专利名称：一种基于dic技术的板料成形性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于钢、铝、镁等板料成形性能的测定装置，属于板料成形和图像处理等技术领域。
背景技术：
金属板料制品广泛应用于国民经济建设和人们日常生活中的各个领域，因此金属板料的塑性加工占有非常重要的地位。随着以家庭轿车为典型代表的现代交通运输工具的轻量化以及航天航空等机械制造业的快速发展，铝、镁等合金以其密度小，比强度高，加工性能好等特点，在板料成形中已得到广泛应用。2007年召开的中国交通用铝国际研讨会上的数据显示，汽车用铝合金材料呈现快速增长的势头，钢铁、塑料和辅件的比例不断下降， 而铝材比例由1980年的4%提高到2000年的12. 5%，预计到2010年可达25%以上，将部分替代钢铁成为汽车工业的基础材料。为评价板材的拉伸性能，20世纪60年代，Keeler和 Backofen提出了成形极限图(FLDsJorming Limit Diagrams)的概念，这个概念很快被广泛接受。成形极限图，又称成形极限曲线，是对板材成形性能的一种定量描述，它反映了加工过程中板材在塑性失稳(缩颈)前所能取得的最大变形程度，是进行工艺与模具设计的主要依据。此后，针对成形极限图的实验、理论和数值分析一直成为国内外众多学者研究的执占。在实验研究方面，Nakazima和Marciniak提出的双向拉伸方法经常被用于获得板料的成形极限图。在实验过程中，为得到尽可能多的与实际生产过程中相对应的变形状态， 不同形状的试件被双向拉伸直至发生断裂，而后采用网格法(CGA，Circle Grid Analysis) 或数字图像相关技术(DIC，Digital Image Correlation)来测量试件表面断裂带附近的主应变值，最后将各个状态下所得到的主应变值点连接起来即为成形极限曲线。为获得成形极限图，需对板料在发生塑性失稳时的变形程度进行测量，而传统的应变测量技术(网格法)存在着耗时、费力及精度低等缺点，且该技术只能在实验结束后对变形试件进行测量以得到某一特定状态的应变值，并不能对实验过程进行连续跟踪。相反， 缩颈现象的发生是一个连续过程，因此用传统的网格法研究缩颈现象有很大的局限性。为此，国际上提出采用数字图像相关技术来测量试件表面的变形应变。该技术是一种通过检测对比不同变形时刻试件表面图像上随机分布的斑点灰度值(0-25 来计算变形位移量从而得到变形场的非接触变形测量方法。基于该技术，很多学者研究开发了数字图像相关技术软件，并成功用于测量板料的变形应变，如ASAME，ARAMIS, AutoGrid等系统。北京大学赵永红等采用数字图像相关技术研究含微裂纹的岩石的变形，并成功测量了岩石受力过程产生的微变形分布，哈尔滨工业大学许蔚则利用该技术分析了玻璃微珠填充环氧树脂功能梯度材料的I型静态断裂特性，但目前该技术在国内金属板料成形领域中的应用尚不广泛，因此，基于以上对国内外现状的分析，本发明将开发一种新的板料成形性能测定装置， 并利用非接触应变测量技术实现对变形过程中的板料应变的测量。

发明内容
本发明针对现有板料成形测试方法中存在的缺陷，设计一种便于实现对试件表面图像连续获取和对缩颈现象进行研究分析的基于DIC(数字图像相关性技术)技术的板料成形性能测试装置。本发明的基于DIC技术的板料成形性能测试装置的采用以下技术解决方案该板料成形性能测试装置，包括图像获取模块和双向拉伸实验装置；图像获取模块包括光学镜面、高速摄像机和计算机，光学镜面位于高速摄像机的前面，高速摄像机与计算机连接；双向拉伸实验装置包括底座、凹模、压边圈、凸模、钟形罩和导柱，底座上设有两根导柱，凹模固定在钟形罩的底部，压边圈连接在凹模下部，凹模套装在导柱上，钟形罩上设有两个窗口，一个窗口用于安装光学镜面，另一个窗口用于高速摄像机拍摄由光学镜面反射的板料试件图像，凸模设置在底座上并位于凹模的正下方；在板料试件上喷涂黑白相间的散斑，将板料试件固定在凹模与压边圈之间；将双向拉伸实验装置安装到材料试验机上，材料试验机控制钟形罩与凹模向下运动，板料试件的底面抵在凸模上，对板料试件进行拉深，直至板料试件出现裂纹为止，板料试件变形过程中，其上喷涂的黑白相间的散斑发生光学变化，用高速摄像机通过光学镜面拍摄整个光学变化过程，并把整个过程传输到计算机；计算机处理获得的图像，并计算试件的应变，根据计算出的不同宽度板料试件的应变， 绘制板料成形极限图，完成板料成形性能的测试。压边圈和凹模与板料试件的接触面均为锯齿状结构，这样在实验过程中板料压扁部分不发生滑动，可以保证板料成形性能测定的准确性。板料试件中部厚度小于周围部分，可以保证塑性失稳发生在试件的中心部位，便于对高速摄像机的调整。本发明采用基于数字图像相关性技术的非接触网格应变测量技术，避免了传统双向拉伸实验装置中垫板的使用，制造简便；采用钟形罩结构，可以很好地满足动态加载下对试验装置的刚度要求；采用“倒置式”模具设计，便于实现实验过程中对试件表面图像的连续获取；板料试件采用非均一性的板料厚度，保证塑性失稳发生在板料中心部位，便于对缩颈现象进行研究分析。


图1是本发明基于DIC技术的板料成形性能测试装置的结构框图。图2是本发明中双向拉伸实验装置的结构示意图。图3是双向拉伸实验装置实验装置中凹模的结构示意图。图4是双向拉伸实验装置实验装置中压边圈的结构示意图。图5是双向拉伸实验装置实验装置中凸模的结构示意图。图6是双向拉伸实验装置实验装置中压边圈和凹模与试件接触面的结构示意图。图7是试件的结构示意图。图8是在表面喷涂黑白相间的散斑后的试件示意图。其中1、高速摄像机，2、光学镜面，3、凹模，4、板料试件，5、压边圈，6、凸模，7、钟形罩，8、导柱，9、底座，10、定位销。
具体实施例方式如图1所示，本发明的基于DIC技术的板料成形性能测试装置，包括图像获取模块和双向拉伸实验装置。图像获取模块包括光学镜面2、高速摄像机1和计算机，光学镜面2 位于高速摄像机1的前面，高速摄像机1与计算机连接。双向拉伸实验装置的结构如图2 所示，包括底座9、凹模3、压边圈5、凸模6、钟形罩7和导柱8，底座9上设有两根导柱8，凹模3安装在导柱8上，凹模3的底部设有压边圈5，凹模3的上部设有钟形罩7，凸模6设置在底座9上并位于凹模3的正下方。钟形罩4上设有两个窗口，一个窗口用于安装光学镜面2，另一个窗口用于高速摄像机1拍摄由光学镜面2反射的板料试件图像。凹模3、压边圈5和凸模6的结构分别如图3、图4和图5所示，压边圈5上设有两个用于与板料4定位的定位销10，保证试样按要求固定在模具上。为保证实验过程中板料的压边，压边圈5和凹模6与板料试件的接触面均为如图 6所示的锯齿状结构，这样在实验过程中板料压扁部分不发生滑动，可以保证板料成形性能测定的准确性。上述双向拉伸实验装置避免了传统Marciniak装置中垫板的使用，设计更加简便；采用钟形罩既可以实现实验过程中高速摄像机1通过光学镜面2对试件表面图像的获取，又能满足进行动态试验对装置刚度的要求。本发明的具体工作工程如下(1)准备一系列不同宽度的板料试件4，板料试件4的形状如图7所示，采用一种非均一性厚度的结构，试件中心部位厚度小，周围压边部分厚度大，厚度变化的过渡部分有圆角过渡，避免板料试件4加工后存在过大残余应力，采用此类板料试件可以保证塑性失稳发生在试样的中心部位，便于对高速摄像机1的调整。如图8所示，在板料试件4上喷涂黑白相间的散斑。为保证板料试件4按要求固定在模具上，可在板料试件4上加工定位孔。(2)将双向拉伸实验装置安装在材料试验机上，钟形罩7的上部与材料试验机下压机构连接，将板料试件4放置在凹模3与压边圈5之间(参见图1)，通过螺栓将压边圈5 与凹模3紧固，板料试件4被夹紧在凹模3与压边圈5之间。(3)将高速摄像机1固定在一个支架上，调整高速摄像机1使之能够拍摄板料试件 4的中央部分。(4)在材料试验机的控制下，钟形罩7与凹模3以一定速度沿导柱8向下运动，板料试件4的底面抵在凸模6上，对板料试件4进行拉深，直至板料试件4出现裂纹为止，板料试件4变形过程中，其上喷涂的黑白相间的散斑会发生光学变化，用高速摄像机1通过光学镜面2拍摄整个光学变化过程，并把整个过程传输到计算机。整个过程中，高速摄像机1 拍摄板料试件4的中央部位，即板料试件4变形最为严重的部分。(5)采用计算机中数字图像相关性技术(DIC)相关软件，处理整个变形过程中试件的表面应变，计算试件的应变。(6)改变不同宽度的板料，重复进行试验步骤0)-(5)。(7)根据计算机计算出的试件的应变，绘制板料成形极限图，完成板料成形性能的测试。
权利要求
1.一种基于Dic技术的板料成形性能测试装置，包括图像获取模块和双向拉伸实验装置；其特征是图像获取模块包括光学镜面、高速摄像机和计算机，光学镜面位于高速摄像机的前面，高速摄像机与计算机连接；双向拉伸实验装置包括底座、凹模、压边圈、凸模、钟形罩和导柱，底座上设有两根导柱，凹模固定在钟形罩的底部，压边圈连接在凹模下部，凹模套装在导柱上，钟形罩上设有两个窗口，一个窗口用于安装光学镜面，另一个窗口用于高速摄像机拍摄由光学镜面反射的板料试件图像，凸模设置在底座上并位于凹模的正下方； 在板料试件上喷涂黑白相间的散斑，将板料试件固定在凹模与压边圈之间；将双向拉伸实验装置安装到材料试验机上，材料试验机控制钟形罩与凹模向下运动，板料试件的底面抵在凸模上，对板料试件进行拉深，直至板料试件出现裂纹为止，板料试件变形过程中，其上喷涂的黑白相间的散斑发生光学变化，用高速摄像机通过光学镜面拍摄整个光学变化过程，并把整个过程传输到计算机；计算机处理获得的图像，并计算试件的应变，根据计算出的不同宽度板料试件的应变，绘制板料成形极限图，完成板料成形性能的测试。
2.根据权利要求1所述的基于DIC技术的板料成形性能测试装置，其特征是所述压边圈和凹模与板料试件的接触面均为锯齿状结构。
3.根据权利要求1所述的基于DIC技术的板料成形性能测试装置，其特征是所述板料试件中部厚度小于周围部分。
全文摘要
本发明提供一种基于DIC技术的板料成形性能测试装置，主要包括图像获取模块和双向拉伸实验装置；图像获取模块包括光学镜面、高速摄像机和计算机，光学镜面位于高速摄像机的前面，高速摄像机与计算机连接；双向拉伸实验装置包括底座、凹模、压边圈、凸模、钟形罩和导柱；在板料试件上喷涂黑白相间的散斑，将板料试件固定在凹模与压边圈之间；使钟形罩与凹模一起向下运动，对板料试件进行拉深，用高速摄像机通过光学镜面拍摄整个光学变化过程，并把整个过程传输到计算机；计算机处理获得的图像，并计算试件的应变，绘制板料成形极限图。本发明制造简便，便于实现实验过程中对试件表面图像的连续获取和对缩颈现象进行研究分析。
文档编号G01N3/06GK102305745SQ20111013845
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者孔伟, 张存生, 张红梅, 赵国群 申请人:山东大学