【优秀硕士博士论文】数字散斑相关法板料成形极限测定研究

数字散斑相关法板料成形极限测定研究,课题背景介绍,研究内容介绍,研究工作,报告内容,结论与展望,一、课题背景介绍,板料成形技术是材料加工技术中的重要分支之一，在航空、航天、船舶、汽车、电器等国民经济的各部门都得到了广泛的应用。成形极限图（FLC）由不同应变路径下的极限应变描绘而成，标示了板材成形时安全区和破裂区的界限，反应了板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。FLC是最有现实意义和应用最广泛的评价板料成形性能的判据。,1.1 选题背景,破裂,起皱,一、课题背景介绍,FLC测定的方法： （1）理论计算 （2）数值模拟 （3）实验测定 成形极限的实验测定方法，在国内受已有应变测量手段和设备的限制，很难获得失稳前的最大变形。传统测量成形极限的手段比较落后，测量精度和效率低，迫切需要新的测量方法。,1.2 选题背景,（a）板料上印制网格 （b）成形后试件 （c）标出裂纹 （d）工业软尺 （e）成形极限图,一、课题背景介绍,提出新的测量方法,基于数字散斑相关法测量的新方法,与传统方法相比优势,数字散斑图案喷涂工作简单，效率高；可在线采集数据，避免回弹等问题；准确判断应变极限状态，得到全场应变值,1.2 研究意义,基本原理,江苏省工业扶持项目支持,一、课题背景介绍,1.3 国内外研究现状,国外近年来光学应变测量,国内近年来光学应变测量,2003年Hsu提出网格应变自动测量方法，并实现二维平台上应变测量分析。2004年推出ISO12004FLC试验标准。成熟的应变测量系统： 德国Gom公司的ARAMIS 和ARGUS应变测量系统 美国CamSys公司的ASAME网格应变测量系统,1993年北京航空航天大学开始对自动网格应变计算方面进行研究，2005年推出GMAS系统。 另外，南航、西北工业大学、哈工大以及西安交通大学等院校也开展了相关研究工作。,一、课题背景介绍,1.4 技术路线,数字散斑相关法板料极限测量,板料成形过程中散斑图像实时采集,FLC成形极限应变曲线,结果分析,FLC测量原理分析,杯突实验,FLC模块,网格应变测量和数值分析比对,实验误差分析,同时,拟合,应变计算,一、课题背景介绍,1.4 技术路线,从极限应变拟合到FLC曲线拟合的详细流程图,试样破裂前测量的应变分布,在裂纹两边各设置至少40mm的三个剖面（至少20个点）,在最高应变两边至少4mm范围内用抛物线拟合计算裂纹位置,分别在裂纹两边区域计算二阶导数并确定最靠近裂纹位置的第一个最大值,确定内部拟合边界的标识点及应变，计算拟合区域宽度,在裂纹两边，主应变进行倒数抛物线拟合，次应变采用体积不变原理计算,计算破裂位置主应变和次应变值即截线的成形极限应变,收集每个试样不同截面计算的极限值，并收集所有不同形状试样极限值,拟合FLC曲线,二、研究主要内容,板料成形极限测量系统装置的设计,板料大变形条件下的图像匹配,基于种子点快速匹配方法,截面线规则的确定应变极值点位置的判定等,极限应变拟合、FLC拟合,成形极限测定实验,基于数字散斑相关法的成形极限测定实验，坐标网格应变成形极限测定实验,数值模拟方法网格应变分析,三、研究工作,FLC测量系统研究,1,理论基础研究,2,成形极限图研究,3,试验方法的研究,4,数值模拟和网格应变对比,5,三、研究工作,1. FLC测量系统研究,实验测量系统原理图,三、研究工作,1. FLC测量系统研究,实验系统装置图,三、研究工作,1. FLC测量系统研究,采用板料成形试验机：百若BTW-300型号,三、研究工作,2.1 数字散斑相关法应变测量,应变计算过程中，假设初始的网格是正方形，将每个正方形分成两个三角形，并将各个角顶点作为应变计算的节点。,三角形节点应变计算原理,各分量,拉格朗日应变E,柯西-格林张量,（I单位矩阵）,拉格朗日应变,三、研究工作,2.2 FLC测定的理论基础,通过预先确定的横截面判定缩颈区域的内外部边界，去掉缩颈区域的应变点, 并对缩颈区域两边剩余的应变分布进行曲线拟合, 重构缩颈开始前的应变分布, 获得材料实际的极限应变数据。,其中，S0 为初始试样厚度,minor=2, major=1,获得极限应变的方法横截面应变分析方法,三、研究工作,3. 成形极限图绘制研究,成形极限曲线拟合3个关键步骤,截面线位置选取,1.确定破裂前最后照片2.确定1的最大值点;3.确定裂纹方向；4.划取第一条截面线过1，垂直于裂纹方向；5.在第一条截面线两侧2mm处截取第二、三条线,1.截面线位置选取步骤:,S(1),小于15%,X(1),S(5),X(m-6),X(n),2.截面线数据的拟合（极限应变值）,三、研究工作,3. 成形极限图绘制研究,成形极限曲线拟合3个关键步骤,在截面线上裂纹对应位置两边各选择至少3-4个应变节点，通过抛物线拟合或反抛物线拟合确定截面线上破裂点的坐标，方程为 式中: x 为测量点展开线长度; f( x) 是1 值，并且f( x)最大值所对应的x坐标定义为破裂点位置。,或,a 截面线数据截取,a 截面线数据拟合,3.成形极限曲线拟合,三、研究工作,3. 成形极限图绘制研究,成形极限曲线拟合3个关键步骤,以最小主应变2为横坐标 ，最大主应变1为纵坐标，将所有的极值点绘制在坐标图上。然后，在最低点左边和右边分别采用最小二乘进行最佳二次拟合。,FLC曲线拟合软件模块,三、研究工作,试验方法的选择,Marcinick试验（平面法）Nakajima试验（半球头型冲头成形的试验法）,润滑方式,Nakajima试验规格原理示意图,4. FLC测量试验方法的研究,干摩擦、润滑脂、润滑脂与聚乙烯薄膜润滑三种形式,依据： GB/T 24171.2-2009 金属材料薄板和薄带成形极限曲线的测定 第2部分实验室成形极限曲线的测定,三、研究工作,试件制备形状、尺寸：如下图材料：型号SPCC 36厚度：1mm加工方式：线切割数量：共3组,（a）试件照片,4. FLC测量试验方法的研究,（b）试件形状、尺寸,随机散斑图案,三、研究工作,板料应变变形图像在线采集,4. FLC测量试验方法的研究,散斑试样冲压变形过程,应变在线计算,FLC在线测量实验装置,三、研究工作,板料应变变形测量计算,4. FLC测量试验方法的研究,极限应变计算截面,截线位置的确定,截线数据拟合,全场应变过程,三、研究工作,5.1 数值模拟分析,采用Dynaform模拟了3个不同宽度试样的胀形过程。模拟过程保持各参数与实验过程近似。然后对模拟结果提取极限应变值,模具形状尺寸,数值模拟模型,三、研究工作,5.1 数值模拟分析,（d）d=180 mm,材料参数：SPCC36材料厚度t=1mm,b 宽度d=20mm,c 宽度d=180mm,a 宽度d=100mm,试样宽度20mm、100mm和180mm应变分布云图,三、研究工作,5.1 数值模拟分析,提取极限应变值,b 宽度d=20mm,c 宽度d=180mm,a 宽度d=100mm,三、研究工作,5.1 数值模拟分析,板料试样数值模拟与实验测定数值比较,通过对数值模拟的结果与实验测量结果相比较可以发现，最大主应变的偏差值在0.1范围内，两者总体偏差较小。产生偏差主要与试验过程的润滑条件以及材料的硬化指数相关。,三、研究工作,5.2 网格应变对比分析实验,XJTUSM网格应变分析实验流程,实验方案： 采用网格应变测量系统，对板料试样极限状态的应变值进行计算，并拟合FLC曲线，最后，将网格应变法得到的结果与散斑法得到FLC曲线进行对比。,三、研究工作,5.2 网格应变对比分析实验,电化学腐蚀,实验准备：,网格应变法在冲压成形之前，首先要采用电化学腐蚀的方法，将板料试样表面腐蚀成均匀圆形网格点（间距为2毫米）。,三、研究工作,5.2 验证对比分析,在杯突试验机上把试样冲压到刚出现裂纹为止，用网格应变分析系统XJTUSM计算试件极限状态上网格点的应变值。选取裂纹附近3个网格点的应变值取平均后作为极限应变，最后，收集所有应变值绘制在坐标图上拟合FLC曲线。,网格应变测量得到FLC曲线,选择裂纹周围3点取平均值,三、研究工作,5.2 验证对比分析,两种方法得到FLC曲线对比图,最后，将散斑测量法和网格应变测量系统（XJTUSM）得到的同种板料试样的FLC曲线在同一坐标系下绘制，对比：,四、结论与展望,工作总结,1、基于双目立体视觉技术，实现变形过程可视化分析，得到全场应变；2、编制FLC拟合功能模块，实现极限应变和FLC曲线拟合；3、相比传统方法，减少网格印制的依赖性，操作过程简单、快速，减少测量所具有的主观性；,本文围绕着数字散斑相关法测量板料成形极限曲线FLC的方法，对板料成形试验的测定与分析展开了一系列的研究，并最终设计实现了数字散斑法测定板料成形极限的方法，得到的主要结论如下：,四、结论与展望,展 望,1、研究加载路径对板料成形极限的影响。通常试验测定的加载路径都是线性的而实际成形一般都是非线性；2、研究FLC拟合方法，包括极限应变拟合和FLC曲线拟合；3、研究板料缩颈失效时刻的准确判断。,由于板料成形具有的复杂性，针对板料成形极限FLC的研究无论是在理论预测上还是试验方法的研究中，仍然具有很大的研究发展空间。根据目前的现状，本文的进一步研究工作应着眼于以下几个方面：,四、结论与展望,研究生期间已发表论文,1 丁恩伟，蔡勇，梁晋等基于Geomagic和UG的快速参数化逆向建模方法J机械研究与应用，2012，03：173-1752 王永信，丁恩伟，梁晋等数字图像相关法的板料成形极限研究与应用J.锻压技术，（已录用）,回答岳湘老师问题,问题1 FLC检测国家标准与ISO标准在参考文献中列出的关系,答：FLC检测ISO标准，国际上是2004年起草了修改稿意见，由于当时受到实验设备等条件的限制，我国是在2008年才改进了1995年制定的成形极限测定相关标准，国家2008标准是参照ISO2004国际标准而制定的。,回答岳湘老师问题,问题2 简介一下本课题有关FLC测量中的影响因素？,答：FLC测量采用数字散斑相关法进行，是通过摄像机采集板料变形过程图像，然后根据立体视觉原理求解分析散斑图案进而实现物体变形应变值。FLC影响因素主要由三个方面构成：散斑测量系统的精度： 光照条件、系统标定结果、散斑图案、散斑图像匹配精度等实验过程的影响精度： 板料试样与冲压头摩擦润滑情况，试样失效状态判断等应变数据拟合的精度： 截面法拟合极限应变准确性、FLC曲线拟合准确性等,回答岳湘老师问题,问题3 本课题有否应用于工业生产领域？（如有，请简介）,答：本课题通过实验测定了厚度1mm、型号SPCC36碳钢的FLC曲线，散斑测量系统已经