用于测试复杂应力状态下管材性能参数的试样及测试方法

摘要

一种用于测试复杂应力状态下管材性能参数的试样及测试方法。将常用的单向拉伸弧形试样加工成带椭圆孔弧形试样。椭圆孔长轴的中心线与单向拉伸弧形试样长度方向的中心线重合；椭圆孔的圆心与带椭圆孔弧形拉伸试样的形心重合。沿待测试管材轴向方向截取两段管材压缩试样。所述的管材压缩试样横截面与管轴线的垂直度为0.08～0.1，管材压缩试样横截面的粗糙度为0.8～0.2。通过对带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试、管材压缩试样的轴向压缩测试和管材压缩试样的侧向压缩测试，并对得到的力-位移数据进行反求，获得用于测试复杂应力状态下管材性能参数。整套测试复杂应力状态下管材性能参数的试样及测试方法提高了管材性能参数测试的精度和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及管材塑性加工技术领域中一种用于测试复杂应力状态下管材力学性能参数的试样及测试方法。

背景技术

管类构件由于能够满足对产品轻量化、强韧化等方面的迫切要求，在汽车、航空和航天等高技术领域得到了日益广泛的重视和应用。管材在液压胀形和数控弯曲等成形过程中，其塑性流动和变形行为非常复杂，管材受到双向拉/压的复杂应力加载，而为了制定合理的工艺参数以及实现准确的数值建模分析，迫切需要获得准确的能够反映管材双向拉/压应力状态下的材料性能参数。

目前，管材性能参数获取方法主要包括传统的单向拉伸、环向拉伸(专利：《管材环向拉伸性能测试方法》，公开(公告)号：1865906)、十字拉伸(专利：《一种通过单向拉伸实现双向拉压耦合应力状态的试件》，公开(公告)号：101430263)和液压胀形(专利：《液压胀形三通增压装置》，公开(公告)号：201783556U)。传统管材单向拉伸试样按照中华人民共和国国家标准《金属材料 室温拉伸试验方法》GB/T228-2002设计，试样两端是夹持部分，测试的变形区在中间部位，测试方法是使其在单向拉应力状态下产生变形直至断裂从而获得单向拉伸塑性响应，该方法无法获得反映管材在实际塑性成形过程的复杂拉/压应力状态下的力学性能特征；环向拉伸试样是从管材上截取长度为1～50mm的圆环，然后将具有和圆环试样内径相同直径的第一半圆形棒和第二半圆形棒穿过圆环试样的内壁，第一半圆形棒的两端通过第二连接体与材料拉伸试验机的上夹具相连，第二半圆形棒的两端通过第二连接体与材料拉伸试验机的下夹具相连，拉伸使环形试样发生拉伸变形得到拉伸性能试验数据，在试验过程中，圆环形试样与半圆形棒存在摩擦影响数据的准确性，且针对不同规格管材需要测量设计加工不同的试验模具，其测试成本较高；十字拉伸试样的外轮廓呈八边形，在试样的一条较长的中心轴线的两端对称设置两个圆孔，用于装载拉伸试验机的夹具，在试样的中心区域对称设置四个平滑过渡的孔，使得试样的中心部位呈现十字交叉形状，试样中心区域十字交叉部位的上下两个表面通过打磨变薄，其试验方法也是通过普通的拉伸试验机拉伸获得应力应变，由于十字交叉部位较薄且易变形，受到平面应力应变状态，可以获得平面塑性响应，十字交叉试样需特殊形状设计和加工，其制作成本极高，且试验过程中十字部分的变形量难以确定，输出结果不够精准；液压胀形的试样是一段具有一定长度的管坯，其增压装置包括上下成形模、端模、叶片泵和管路，其模具和设备较为特殊，存在模具结构复杂、测试成本高、试验实施困难以及材料参数难以确定等缺陷，且只能获得小口径管材的厚向异性指数。

因此，以上用于测试材料性能参数的试样和测试方法存在试样设计和加工复杂、测试成本高和测试结果不准确等限制，需要寻找一种可以用来测试管材在复杂拉/压应力下的性能参数的试样以及测试方法，使管材性能参数的获得更为方便有效，这是当前管材塑形加工精确高效成形制造迫切需要解决的关键问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的试样及测试方法不能准确全面获得管材在复杂应力状态下的性能参数，从而影响管材塑性成形工艺设计和成形过程有限元数值模拟分析精度的问题，本发明提出了一种用于测试复杂应力状态下管材性能参数的试样及测试方法。

本发明在常用的单向拉伸弧形试样上加工有椭圆形通孔，形成带椭圆孔弧形拉伸试样；所述的带椭圆孔弧形拉伸试样上的椭圆孔的长轴为2.5～5mm，短轴为1.5～3mm；所述的带椭圆孔弧形拉伸试样上的椭圆孔长轴的中心线与带椭圆孔弧形拉伸试样长度方向的中心线重合；所述椭圆孔的圆心与带椭圆孔弧形拉伸试样的形心重合。

本发明还提出了一种测试复杂应力状态下管材性能参数的方法，包括以下步骤：

步骤1，制备带椭圆孔弧形拉伸试样。在现有技术中常用的单向拉伸弧形试样上制孔。所述椭圆孔内壁的粗糙度为0.8～0.2。

步骤2，制备管材压缩试样。沿待测试管材轴向方向截取两段长度为100mm的管段，得到两个管材压缩试样。所述的管材压缩试样横截面与管轴线的垂直度为0.08～0.1，管材压缩试样横截面的粗糙度为0.8～0.2。

步骤3，测试试样。测试过程包括带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试、管材压缩试样的轴向压缩测试和管材压缩试样的侧向压缩测试，其具体过程为。

Ⅰ带椭圆孔弧形拉伸试样测试。将带椭圆孔弧形拉伸试样装夹于拉伸试验机的夹具上，将纵向引伸计装夹在试样上。通过拉伸试验机上夹头的位移拉伸试样，拉伸试验机的加载速度为3mm/min。拉伸距离为拉伸试验机上夹头的初始位置至带椭圆孔弧形拉伸试样拉断时的距离。拉伸过程中得到力-位移数据，直至将试样拉断为止。

Ⅱ管材压缩试样的轴向压缩测试。通过拉伸试验机对一个管材压缩试样做轴向压缩试验。通过拉伸试验机上夹头的位移压缩试样，试验沿着管段试样的轴线进行，压缩距离为70mm，加载速度为3mm/min。轴向压缩过程中得到力-位移数据。

Ⅲ管材压缩试样的侧向压缩测试。通过拉伸试验机对另一个管材压缩试样做侧向压缩试验。压缩方向与试样的轴线垂直，压缩距离为85mm，加载速度为3mm/min。侧向压缩过程中得到力-位移数据。

步骤4，材料参数的反求。通过有限元模拟对管材的材料参数进行反求，使得带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型模拟所获得的力-位移数据逼近试验结果。所述的反求过程如下：

Ⅰ以带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试中得到的力-位移数据、以管材压缩试样的轴向压缩测试和侧向压缩测试中得到的三组力-位移数据建立力-位移矩阵[Y]。

Ⅱ计算力-位移的模拟矩阵[Y0]：建立带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型；建立管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型；建立管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型。

所述的三个有限元模型的初始参数分别为：带椭圆孔弧形拉伸试样采用单向拉伸，管材压缩试样分别采用轴向压缩和侧向压缩。在对上述试样采用单向拉伸或轴向压缩或侧向压缩时，初始的力和位移为0，加载速度为3mm/min。带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸量为将该带椭圆孔弧形拉伸试样拉裂，管材压缩试样的轴向压缩量为70mm，管材压缩试样的侧向压缩量为85mm。

所述三个试样的初始材料参数分别为强度系数K、硬化指数n和厚向异性指数r，并且该强度系数K、硬化指数n和厚向异性指数r通过现有技术中常用的单向拉伸弧形试样的单向拉伸试验获得。

利用ABAQUS显式有限元对带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型进行模拟计算，得到三组力-位移的模拟矩阵[Y₀]。

Ⅲ对三组力-位移模拟矩阵[Y₀]分别进行优化计算：

确定目标函数。通过公式Φ＝∑(Y-Y₀)²W_i得到目标函数Φ。其中，W_i为加权系数，其取值范围为0.001～0.01。Φ为函数目标值。

设定Φ^k为目标函数的最优目标值。将目标值Φ与目标函数的最优目标值Φ^k进行比较：如果Φ≤Φ^k成立，分别得到力-位移数据[Y₀′]，反求计算结束。如果Φ≤Φ^k不成立，则采用优化算法如遗传算法对步骤4中的Ⅱ的初始材料参数K、n、r进行参数优化。将优化后的初始材料参数K、n、r作为步骤4中的Ⅱ的初始材料参数，再次建立带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型，并对三组力-位移[Y₀]进行优化计算，直到Φ≤Φ^k，反求计算结束，最终得到复杂应力状态下管材性能参数。

普通无孔弧形拉伸试样拉伸测试得到的材料参数仅表现在试样长度方向的单方向拉应力应变，无法得到符合管材塑形加工过程中的复杂拉/压应力，导致后续管材弯曲有限元模拟由于初始材料参数设置不合理而使得模拟结果不准确，无法客观反映管材实际弯曲过程。本发明设计的带椭圆孔弧形拉伸试样是在普通无孔弧形拉伸试样的行心上打椭圆孔，迫使试样在拉伸过程中应力集中产生平面应力应变；管材压缩试样是直接从管材上截取的管段，通过轴向或侧向的压缩而产生复杂的压缩应力应变。本发明设计的带椭圆孔弧形拉伸试样测试是通过单向拉伸加载，可以诱发出椭圆孔边缘材料产生平面应力应变，同时椭圆孔的长轴与试样的轴线重合，比起圆孔具有更大的应变范围，所得到的材料参数更加符合管材塑形加工过程中管材弯曲外侧所受到的平面应力应变属性；本发明设计的管材压缩试样的测试是经过轴向或侧向的压缩加载，管材压缩试样的轴向压缩测试是通过将试样进行简单的物理轴向压缩，迫使管材试样产生压缩失稳，试样压缩失稳后会产生褶皱，这个由初始的压缩零状态逐步压缩加载到失稳的过程与管材塑性加工中管材弯曲内侧失稳起皱相似；管材压缩试样的侧向压缩测试是通过将试样进行简单的物理侧向压扁，管材压缩试样侧向压缩测试塑性变形最大的部分集中在管材试样的侧向压缩方向的中间部分，在塑性变形过程中，这一部分中性层外侧受拉应力，中性层内侧受压应力，顶点处受双向拉应力。

通过本发明设计的带椭圆孔弧形拉伸试样和管材压缩试样经过普通拉伸试验机的简单拉/压物理试验加载诱发出不同应力应变状态，更加符合管材塑形加工过程中的复杂应力，进而通过参数反求，可以获得了一种用于测试复杂应力应变状态下管材性能参数。整套测试复杂应力应变状态下管材性能参数的试样及测试方法将进一步提高管材性能参数测试的精度和效率。

附图说明

图1是无孔弧形拉伸试样主视图；

图2是带椭圆孔弧形拉伸试样主视图；

图3是带椭圆孔弧形拉伸试样俯视图；

图4是带椭圆孔弧形拉伸试样上的椭圆孔放大图；

图5是带椭圆孔弧形拉伸试样三维视图；

图6是管材压缩试样三维图；

图7是带椭圆孔弧形拉伸试样测试原理图，其中，F是模具夹持试样的夹持力，N是模具拉伸试样的拉力；如图所示，试验机上下夹头装有模具，F是模具施加给带椭圆孔弧形拉伸试样夹持端的夹紧力，保证试样在拉伸过程中试样夹持端与模具不产生打滑现象；N是模具拉伸试样的拉力，模具将试样夹紧后沿试样轴线方向运动，达到将试样拉伸的效果；

图8是轴向压缩测试原理图，其中，F是试验机压缩平台对压缩试样施加的压力；如图8所示，压缩测试是在试验机的压缩试验区进行，依靠试验机本身的压缩平台将试样压缩成功，所叙述的F是试验机的压缩平台对压缩试样施加的压力；

图9是侧向压缩测试原理图，其中，F是试验机压板对压缩试样施加的压力；

图10是复杂应力状态下管材性能参数测试方法的流程图；

图11是带椭圆孔弧形拉伸试样测试纵向应力云图及图例；

图12是带椭圆孔弧形拉伸试样测试横向应力云图及图例；

图13是1.5s时周向力的应力云图及图例；

图14是1.5s时轴向力的应力云图及图例；

图15是1.5s时塑性应变云图及图例；

图16是轴向压缩塑性应变模拟结果云图及图例；

图17是侧向压缩在20s时周向力的应力云图及图例；

图18是侧向压缩在20s时横向力的应力云图及图例；

图19是侧向压缩在20s时塑性应变云图及图例；

图20侧向压缩塑性应变模拟结果云图及图例。其中：

1.形心 2.椭圆孔 3.椭圆孔内壁 4.焦点 5.长轴

6.短轴 7.管材压缩试样横截面

具体实施方式

本发明是一种用于测试复杂应力状态下管材性能参数的试样，通过带椭圆孔弧形拉伸试样和管材压缩试样实现测试复杂应力状态下管材性能参数。所述的带椭圆孔弧形拉伸试样是将现有技术中常用的单向拉伸弧形试样进行改进后得到的；所述的管材压缩试样是沿待测试管材轴线方向截取的管段。本发明的所测试管材的管径D为30～200mm；所用的单向拉伸弧形试样上加工有一个椭圆形通孔，并且所述椭圆形通孔的长轴为2.5～5mm，短轴为1.5～3mm；管材压缩试样是沿待测试管材轴线方向截取长度为100mm的管段。本发明以被测试管材的管径D为100mm、长轴为3mm、短轴为2mm，压缩试样长度为100mm为例，说明本发明的具体实施过程。

本实施例是一种用于测试复杂应力状态下管材性能参数的试样。所测试的管材为6061-O铝合金管，规格为Φ100×1.5mm。

本实施例通过带椭圆孔弧形拉伸试样和管材压缩试样实现测试复杂应力状态下管材性能参数。所述的带椭圆孔弧形拉伸试样是将现有技术中常用的单向拉伸试样进行改进后得到的；所述的管材压缩试样是沿待测试管材轴线方向截取的管段。本实施例所述的带椭圆孔弧形拉伸试样是在单向拉伸试样形心上加工一个椭圆形通孔，该椭圆形通孔的长轴为3mm，短轴为2mm；管材压缩试样是沿待测试管材轴线方向截取长度为100mm的管段。所述的带椭圆孔弧形拉伸试样上的椭圆孔长轴的中心线与带椭圆孔弧形拉伸试样长度方向的中心线重合；所述椭圆孔的圆心与带椭圆孔弧形拉伸试样的形心重合

本实施例的测试过程包括以下步骤：

步骤1，制备带椭圆孔弧形拉伸试样。

在现有技术中常用的单向拉伸弧形试样上制孔。用垂线法标记出单向拉伸弧形试样的形心1。以所述的形心1为圆心在试样上画出一个长轴5为3mm、短轴6为2mm的椭圆。椭圆的长轴5与试样的轴线平行。以形心1为圆心钻一个小于椭圆短轴6的圆孔，用于穿线切割的钨丝；通过线切割加工出椭圆孔2。用砂纸将椭圆孔内壁3打磨光滑，要求粗糙度达到0.8～0.2。

步骤2，制备管材压缩试样。

采用线切割的方法，沿待测试管材轴向方向截取两段长度为100mm的管段，得到两个管材压缩试样。所述的管材压缩试样横截面7与管轴线的垂直度为0.08～0.1，管材压缩试样横截面7的粗糙度为0.8～0.2，管材压缩试样内外表面不能有划痕、砂眼等缺陷。

步骤3，测试试样。

测试过程包括拉伸测试、轴向压缩测试和侧向压缩测试，其具体过程为：

Ⅰ带椭圆孔弧形拉伸试样测试。带椭圆孔弧形的拉伸测试是在拉伸试验机上进行。将带椭圆孔弧形拉伸试样装夹于拉伸试验机的夹具上，将纵向引伸计装夹在试样上。通过拉伸试验机上夹头的位移拉伸试样。拉伸位移为拉伸试验机上夹头的初始位置至带椭圆孔弧形拉伸试样拉断时的距离拉伸过程中得到力-位移数据，直至将试样拉断为止。测试中，拉伸试验机的加载速度为3mm/min。通过试验机内部的力传感器动态显示拉伸力，通过纵向引伸计显示试样标距段的位移，通过试验机自动信号采集系统采集30对/秒的力-位移数据。

Ⅱ管材压缩试样的轴向压缩测试。通过拉伸试验机对一个管材压缩试样做轴向压缩试验。通过拉伸试验机上夹头的位移压缩试样，试验沿着管段试样的轴线进行，管材压缩试样的压缩距离为70mm，加载速度为3mm/min；轴向压缩过程中得到力-位移数据。通过试验机内部力传感器动态显示压缩力，通过位移传感器显示试样标距段的位移，通过试验机自动信号采集系统采集30对/秒的力-位移数据，直至试样被压缩70mm。

Ⅲ管材压缩试样的侧向压缩测试。通过拉伸试验机对另一个管材压缩试样做侧向压缩试验。压缩方向与试样的轴线垂直，管材压缩试样的压缩距离为85mm；加载速度为3mm/min；侧向压缩过程中得到力-位移数据。通过试验机内部力传感器动态显示压缩力，通过位移传感器显示试样标距段的位移，通过试验机自动信号采集系统采集30对/秒的力-位移数据，直至试样被压缩85mm。

步骤4，材料参数的反求。

材料参数反求的实质是通过优化算法对管材的材料参数进行反求，使得带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型的模拟结果所获得的力-位移数据逼近试验结果。所述的反求过程如下：

Ⅰ以带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试、管材压缩试样的轴向压缩测试和管材压缩试样的侧向压缩测试中得到的三组力-位移数据分别建立力-位移矩阵[Y]；

Ⅱ计算力-位移的模拟矩阵[Y₀]：利用ABAQUS软件建立带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试有限元模型。将带椭圆孔弧形拉伸试样进行单向拉伸，将管材压缩试样分别进行轴向压缩和侧向压缩。

所述的三个有限元模型的初始参数分别为：将带椭圆孔弧形拉伸试样进行单向拉伸，将管材压缩试样分别进行轴向压缩和侧向压缩。在对上述试样采用单向拉伸或轴向压缩或侧向压缩时，初始的力和位移为0，加载速度为3mm/min；带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸量为将该带椭圆孔弧形拉伸试样拉裂，管材压缩试样的轴向压缩量为70mm，管材压缩试样的侧向压缩量为85mm。

所述三个试样的初始材料参数分别为强度系数K、硬化指数n和厚向异性指数r，并且该强度系数K、硬化指数n和厚向异性指数r通过现有技术中常用的单向拉伸弧形试样的单向拉伸试验获得。

利用ABAQUS显式有限元对带椭圆孔弧形拉伸试样的拉伸测试的有限元模型、管材压缩试样的轴向压缩测试的有限元模型和管材压缩试样的侧向压缩测试的有限元模型进行模拟计算，得到三组力-位移的模拟矩阵[Y₀]。

Ⅲ对三组力-位移模拟矩阵[Y₀]分别进行优化计算：

确定目标函数。通过公式Φ＝∑(Y-Y₀)²W_i得到目标函数Φ；其中，W_i为加权系数，其取值范围为0.001～0.01，Φ为函数目标值。

设定Φ^k为目标函数的最优目标值。将目标值Φ与目标函数的最优目标值Φ^k进行比较：如果Φ≤Φ^k成立，分别得到力-位移数据[Y₀′]，反求计算结束。如果Φ≤Φ^k不成立，则采用优化算法如遗传算法对步骤4中的Ⅱ的初始材料参数K、n、r进行参数优化；将优化后的初始材料参数K、n、r作为步骤4中的Ⅱ的初始材料参数，利用ABAQUS软件再次建立椭圆孔拉伸、轴向压缩和侧向压缩三个有限元模型，并对三组力-位移为[Y₀]进行优化计算，直到Φ≤Φ^k，反求计算结束。本实施例中，通过对三组力-位移模拟矩阵[Y₀]进行四次优化计算，最终得到复杂应力状态下管材性能参数。

表1：双向拉应力状态下的管材性能参数(对应带椭圆孔弧形拉伸试样拉伸测试结果)

表2：压应力状态下的管材性能参数(对应管材压缩试样轴向压缩测试结果)

表3：压应力状态下的管材性能参数(对应管材压缩试样侧向压缩测试结果)

注：K表示材料强度系数，n表示材料硬化指数，r表示材料厚向异性指数