对金属薄板特征研究的双轴拉伸机的优化外文翻译资料

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对金属薄板特征研究的双轴拉伸机的优化

M. Merklein lowast; , M. Biasutti

Chair of Manufacturing Technology, Friedrich-Alexander-Universitauml;t Erlangen-Nuuml;rnberg, Erlangen, Germany

文 章 信 息

文章历史：

原稿2012.06.15

修改稿2012.12.5

录用2012.12.8

网页版2013.1.10

关键词：金属薄板 双轴拉伸机 十字形试件

摘要

一个新的带有面外加载系统的独立双轴测试机,已经应用到十字形金属薄板试件各向异性塑性行为的研究。该装置用单螺杆驱动器驱动，并且通过调整连杆机构的几何结构来实现沿两个主要方向负载率的变化。本设计首次结合双轴位移装置通常用独立的机器安装在万能拉伸试验机上的优点，同时提供了一个可以解决这种类型限制的解决方案。对所用的试样进行了讨论和比较，通过数值模拟在文献中提出的一个最优的几何形状。实验的结果和结论是确定经典和先进的屈服准则，并表示为屈服面。

copy;2012 Elsevier公司保留所有权利。

1.引言

为了减少开发时间和节约成本，虚拟制造通过有限元分析已成为板料成形工具的设计几乎是必不可少的步骤。这些数值模拟精度很大程度上取决于选择的本构模型。由Banabic等人（2010）公认，由于材料通常在多轴力作用下成形，多轴加载实验需要验证的塑性模型用于模拟。以双轴加载路径下测量金属板材的各向异性塑性行为，不同的测试技术被Kuwabara等人（2007）详细研究，用于测试板材的最合适的方法是使用一个双向拉伸的十字形试件。作为优秀的Hannon和Tiernan（2008）综述，多个测试机器已经被开发用于生产双轴和可分为独立的双轴试验机和双轴位移装置安装在万能试验机上。在第一组机器是试样平面内加载系统，由二（Crosby et al.，1998）到四（Shiratori and Ikegami，1967）伺服液压或螺杆驱动（Boehler et al.，1994）执行器驱动。四液压执行机构的解决方案，根据现有类似机器Kuwabara的研究（2007）和近期的新发展齐达内等人的研究（2010）似乎更能让人接受。这些机器的一个主要问题是在实验过程中通过同步的四个独立的致动器避免试样测量区域中心的转移。这主要是通过一个由Makinde等人（1992）实现的闭环伺服液压控制，而Kuwabara等人（1998）采用连杆机构是结合Shiratori和Ikegami（1967）提出可以调节对液压执行器的位移。在平面内的加载系统不是应用负载的唯一途径。Johnson 和 Kahn（1965）采用自重加载系统，其中每个加载轴垂直负载盘加上了滚子链，经过滑轮传递在试样平面的拉伸力。然而，此设备试样的中心是不固定的，在平面内的弯矩叠加在测试过程中。Hayhurst（1973）通过一个复杂的机械运动装置较好地解决了这些问题，两个相反的圆轮由一回路主要钢丝绳连接的装载轴到一组试件的加载臂联动。当一个皮带轮固定在机架上时，拉伸力被施加到另一个，从而使试样受到一个叉组件通过悬挂在铰链杆上的铅的重量。这些试验机已成功地应用于稳定载荷必须保持很长一段时间的双轴蠕变试验。Geiger等人（2005）开发使用十字标本有面外双轴试验加载系统创新实验装置。它由四辊装置，放置在一个平面互成直角，组装成一个单一的螺旋驱动的圆冲头。一旦十字形试样夹在手臂的末端，冲床样品在其中心引起双轴应力状态。可以通过改变试样的横臂的长度比获得不同的双轴应力状态。此外，Merklein等人（2008）由集成的激光源在高温下确定屈服轨迹。然而，在试样平面上没有检测到负载效应并且试样加载臂上有弯矩，不能明确硬化参数和屈服的开始。

应用第二广泛的双向拉伸试验方法是利用现有的配有专用工具的万能拉伸机，在其中心多轴加载为获得四固定端的十字型试样的同步位移。这种类型的设备一般都是联合连接组件，和单机相比更具成本效益。Ferron 和 Makinde（1988）提出了一个相当复杂的设计有八个环节，在十字形试件由拉伸机十字头运动在它的一个主要的轴向张力负载，而第二轴的两端是受电弓机制产生相反的相同移位。类似的设计是由tierriault等人（2003）开发，与以前不同的是设备在受压状态下工作和四个夹子在受电弓拉伸下同时移动。这一概念的进一步发展可以在聚合物测试领域内找到，但作用力较小，像Rohr等人（2005）。在这项工作中的一个显著简化是tierriault等人（2003）仅需要使用一半链接数实现。这可以通过打破最后的安排和补偿垂直反应力不平衡的对称性解释。这是通过连接每一个与安装在拉伸机机架钢板固体上的线性轴承系统相连的四上端实现。随着十字头向下运动，该链接转换成成对相反方向的水平位移。这些链接机制一个共同的缺点是一直只有一个负载率可以执行。如果需要一个不同的比例，这个链接必须改变，这是一个耗时的解决方案。事实上，各环节之间的角度必须为每一个非等双轴拉伸取得两两不同的值。最近brieu等人（2007）分析了橡胶状材料的增生行为，对于这一问题，提出了一个有趣但相当复杂的涉及十个链接和实心棒的机制。这个解决方案背后的主要想法是十字形试件随着拉伸机的十字头移动在垂直方向产生位移，水平方向的位移则由调整分叉斜杆两个正方向的斜度确定。对于杆和对称的垂直轴，滑动第二个拉伸杆控制试样其中一个连接的水平两端。这样的方案，在十字头向上位移导致相同向上位移，类似的，两横握在水平方向产生一个大小相等、方向相反的的位移。既然这种双向拉伸装置通过测试材料小于金属薄板正常应力的2个数量级的情况下被证明可行，它被认为是一个有效的尝试来实现可选择性调整负载率。

正是在这样的背景下，这项工作的目标机器设计理念产生。特别是，这是在尝试开发一个具有成本效益的独立的机器，采用双轴拉伸装置的解决方案，并同时克服其局限性。

2. 双轴试验装置

在这项研究的框架内开发的设备，属于带有平面加载系统的独立机器类。此机器概念是根据Geiger等人（2005）避免对装载轴的主动控制的想法，在建设方面，提出一个相对于伺服控制的单机机器而言节省成本的解决方案。然而，选择通过试样的几何形状控制应力状态，防止直接测量面内的反应力。这方面已经在现有的机器上实现，负载机制与Hayhurst（1973）的研究相似，还有允许离散的双轴应力状态集合的特色优势。在这项研究中提出的机器有一种全新的发展，由同一个主要作者Merklein等人（2008）研究不共享机器的任何硬件组件作为负荷训练，即试样的装载方式，以及试样本身的几何形状完全不同的设计。

图1.双轴试验机的平面图和截面图。

（1）钢结构安装板；（2）钢垫板；（3）empty;60毫米实心圆杆；（4）直流电动机；（5）蜗轮螺旋千斤顶；（6）起吊螺丝；（7）顶部钢板；（8）底钢板；（9）empty;30毫米实心圆杆；（10）空心圆杆；（11）试件；（12）夹具；（13）线性轴承系统；（14，17）拉杆；（15）50 kN负载单元；（16）滚针轴承；（18）角度调整装置；theta; ，角。

图1所示的装配是由钢安装板（1）支撑在地面之上，是用螺栓固定在铝型材框架上（未显示）。钢垫板（2）由四个实心钢棒（3）悬浮，支撑一个连接到蜗轮螺旋千斤顶（5）的直流电动机（4）。升降螺杆（6）的千斤顶相对于底座、升降移动板组件（灰色）可以垂直移动（Z轴）。这包括一个顶部（7）和底部（8）连接到每个其他角落的钢板，在中心有四个固体（9）和相对应的一个中空钢轮杆（10）。这种过约束的安排提供了高的结构刚度，使顶部的钢板在平面内的弯曲，可以忽略不计。此外有一个洞在顶部钢板与空心圆杆同心加工使试样（11）暴露于激光束下方加热源，相当于Merklein等人（2008）给出的结果。此功能目前还没有实施，目前的工作仅仅是基于室内温度实验。试样在每个末端被夹具（12）对称的夹住，由在钢板上安装的线性支承系统（13）引导。每个横轴线（X，Y），两夹具通过拉杆（14）连接在一端，另一端通过50KN负载单元（15）连接到一对对称相对深沟滚子轴承（16）。这些都是由顶部的钢板支撑，由一个拉杆（17）通过安装钢板上的一个角度调整装置（18）连接。由于这种安排，螺旋千斤顶将直流电机的旋转运动转变为顶部钢板的直线位移，每个夹具的运动关系有唯一的描述：

其中长度L相对于节点（14，17）是相同的，theta; 是当前的角度。因此，鉴于目前顶部钢板的垂直位置Pz，对十字形试件臂两端的面内位移可以确定解决（1）。角度theta;的变化已被任意设计为证明该机功能设计的主要用途，通过固定接头（17）的位置A，B，C和D，用四个一样在29°和52°之间调整的每步8°。在两个主方向成对不同角度的选择从而可能有不同的位移P x和P y,意味着在试样中心是非等双轴应力状态。

3. 试样几何形状

双轴拉伸试验的决定性因素是所选择的试样形状设计。Hannon and Tiernan (2008)的总结中，至少有两个共同的必要条件出现在许多研究活动中。

评论：

bull;应力应变均匀性在中心区内。

bull;在试验段屈服必定发生，在此区域内要避免应力集中。

像主要作者Makinde等人（1992）和Demmerle与Boehler（1993）为了实现最佳的十字形试件设计，依据蠕变试验研究（Hayhurst，1973）采用以下解决方案：

bull;每个试件臂削减槽可以在变形过程中放松的横向约束的施加，增强应力应变在测量区域内的均匀分布。

bull;减少测量区域的厚度，以确保塑性变形只发生在中心区域。

Zidane等人（2010）最近再一次证明，这些指南不仅有效，而且和在文献中找到的替代品相比，还导致了一个优越的设计。事实上，即使仍在发展过程中，Kuwabara 等人（1998）由标准的ISO / CD 16842的基础上提出了一种除不进行任何厚度减薄外非常相似的几何形状。

图2.十字形试件的几何形状

在这项工作中使用的形状（图2）是根据这些准则，利用有限元分析设计，相比Makinde等人（1992）优化试样，其详细的尺寸可在Green等人（2004）中查看。十字型的几何结构每个臂上都有七个槽，中间部分减薄一半。考虑到试样对称，仅將试件的四分之一用有限元套装软件ABAQUS / CAE 6.9-ef（Dassault Systegrave;mes Simulia Corp., Providence, Rhode Island,USA）检查。AA6016铝合金各向同性弹塑性行为选择杨氏模量E = 70000 MPa，泊松比v= 0.3，而真正的应力-塑性应变曲线以表格形式给出。Makinde 等人（1992）与本研究的模型分别有C3D4H型元素140535和31995，导致测试区内类似的网格尺寸。通过Makinde等人（1992）和目前的研究的比较。这两种几何形状横跨夹持部分在一个隐含的步骤中双轴应变率为1:1到1毫米的位移。应变均匀性是沿路径0le;Yle;L 0评估，L0= 8毫米是测量长度的一半。最后在这两种情况下确定两排连接减薄中心区和试样臂之间的最小距离。应力用同样的方法也有差异，每个值delta;x（y）是在厚度方向上的所有元素的平均值。应力和应变梯度如图3所示，左、右分别为达到的塑性应变值。百分比delta;εx /εx的变化是第一要素路径应变的各单元应变率，压力也是以类似的方式。考虑到试件尺寸的不同，路径y通过长度L0规范化。因为比例越大，其几何尺寸越小，即使影响最终效果，曲线也表现出定性的相同的行为。这一分析结果证明了本几何形状可以和的Makinde等人（1992）的参考几何体相媲美，相比以前的其他作品也已经优化。

这是没有任何要求的几何形状，是为了易于工业应用制造。根据这一点，非对称的横截面设计是为了简化制造工艺和减少加工偏差。然而，尽管所选圆角半径最小化，双轴试验过

图3.两十字形试件在内标长度上应变（左）和应力（右）非均匀度的估计。

图4.本几何结构（左）和Makinde等人（1992）的试件（右）分别对应的中央截面及夹紧截面的节点反应力

程中还是出现轻微的弯曲力矩。图.4是由负载单元记录的合力效果，对于本几何结构与Makinde等人（1992）的试件，夹紧段的反应力和中心截面的反应力。目前的几何显示一个几乎恒定的平均绝对百分比偏差在低于1.8%的两部分应力之间，而 Makinde等人（1992）试件的计算有较高的不均匀性。一个小程度的偏差是可取的，如果在中央的横截面的应力被确定是使用加载单元作用在夹紧段上的力，否则，流动应力必须通过使用Green等人 （2004）的逆方法确定。

为了估计在应力测量中的总误差，已进行了一个额外的研究。通过实验，在AS x,0可忽略不计，AS x asymp; AS x,0 AS x,t的假设下，考虑到典型的x轴如图5（左）所示，当真实应

图5.实验评价方法的原理图（左）和仿真结果的评价（右）。

变分量和是直接计算和计算测量区的平均值，为了计算应力delta; x= RF x /AS x 和delta; y = RF y /AS y，从而可以确定横截面面积。这一假设考虑的是非减薄的截面部分的变形过程中相对小的拉伸变形。图6分析了这一假设的影响。delta;X–εX曲线由ASx确定，应力要计算为平均要素输出（黑圆）和运用，和实验赋值相似，但考虑到这部分的节点反应力，上面的描述是假设结果（灰色曲线）。考虑到两条曲线的紧密重叠，偏差可以忽略不计。当

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