一種金屬板材高速成形極限實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種板材高速成形極限實驗裝置，其包括：導(dǎo)軌支架(1)，凹模座(2)，凹模(3)，試驗板料(4)，墊圈(5)，壓邊圈(6)，緊固螺釘(7)，復(fù)合材料沖頭(8)，升降支架(9)，電動導(dǎo)軌(10)，平板線圈(11)，驅(qū)動塊(12)，連接棒(13)，可調(diào)緩沖橡膠塊(14)，限位槽(15)，電磁鐵(16)，銜鐵(17)，沖頭橡膠緩沖塊(18)，橡膠緩沖塊支座(19)，高速照相機(20)，高速照相機支座(21),激光測距儀(22)電路總開關(guān)(23)，變壓器(24)，電容充電開關(guān)(25)，保護電容(26)，高壓整流橋(27)，電容器組(28)，沖頭發(fā)射開關(guān)(29)，保護電阻(30)，整流橋(31)。本發(fā)明所述的高速成形極限實驗裝置可以在使用高壓電容器對平板線圈放電，產(chǎn)生瞬間強磁場，使驅(qū)動塊高速向下移動，推動沖頭進行高速FLD實驗。
【專利說明】
一種金屬板材高速成形極限實驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬板材高速成形加工領(lǐng)域，特別涉及一種金屬板材高速成形極限實 驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速高能成形包括多種工藝方法，主要包括爆炸成形、電磁成形、電液成形，也就 是利用電氣、化學(xué)、機械貯存的高能量在瞬間放出而進行加工。電磁成形和爆炸成形都能達 到15~300米/秒的加工速度，能極大的提高加工效率。同時，很多金屬材料的高應(yīng)變速率 下，其成形極限較室溫低速過程有很大的提高。爆炸成形、電磁成形、電液成形國外早在上 個世紀中葉就開始了研究，現(xiàn)在已經(jīng)進入實用階段。
[0003] 常溫低速成形過程中，板材的成形性評價有多種辦法，其中成形極限圖（FLD)是判 斷和評定板材成形性能的最為簡便和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問題的一個非常有 效的工具。FLD是由板材在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限真實應(yīng)變 ￡1和￡2構(gòu)成的條帶形區(qū) 域，全面反映了板材在單向拉應(yīng)力、雙向拉應(yīng)力、平面應(yīng)變及中間狀態(tài)作用下的成形極限。 在板材成形中，板平面內(nèi)的兩主應(yīng)變的任意組合，只要落在成形極限圖中的成形極限曲線 上，板材變形時就會產(chǎn)生破裂，反之則是安全。
[0004] 然而，高速成形過程中涉及應(yīng)變速率因素，而不同應(yīng)變速率下材料的塑性變形規(guī) 律有很大差別，且不同材料的塑性隨應(yīng)變速率變化情況也大不相同。通常來說，板料在超高 應(yīng)變速率下通常塑性較好，但在中速應(yīng)變速率下塑性較差。而且，板料成形時板料不同位置 處的應(yīng)變速率存在很大差別，這將顯著影響板料失效點的預(yù)測。因此，高速高能成形的成形 極限不能單純的建立主應(yīng)變和次應(yīng)變的關(guān)系，而應(yīng)考慮應(yīng)變速率效應(yīng)，常規(guī)的成形極限測 試方法也不再適用。
[0005] 目前，測量材料的高應(yīng)變速率下的應(yīng)變值通常采用霍普金森拉桿或壓桿來獲得材 料的高速拉伸或壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；中應(yīng)變速率則可使用高速拉伸機來進行實驗。除普通 的高速拉伸機外，還有如專利CN102944474A中所述的一套利用電磁力驅(qū)動的超高速率單向 拉伸試驗裝置及方法。但無論采用霍普金森桿抑或高速拉伸機，都只能獲得單向拉伸或單 向壓縮的應(yīng)變狀態(tài)，是遠遠不夠的。
[0006] 此外，在高速成形極限實驗當中，實驗數(shù)據(jù)的采集也是一個難題。傳統(tǒng)的成形極限 測試的方法采用在板料上印刷網(wǎng)格，將板料沖壓至產(chǎn)生破裂的瞬間立即停止實驗，此時對 板料破裂處的網(wǎng)格長度進行測量，達到應(yīng)變測量的目的。然而，高速成形極限實驗，無法控 制實驗在板料產(chǎn)生破裂時終止。專利CN102305745A中提及了一種利用DIC在線圖像測量技 術(shù)的板料成形性能測試裝置，裝置可以實時測量板料產(chǎn)生的應(yīng)變，無需控制實驗終止，無需 對板料進行人工測量。但該專利存在如下缺陷：1、由于DIC技術(shù)在測量曲面上的應(yīng)變時，數(shù) 據(jù)十分不準確，因此裝置采用的平底沖頭，平底沖頭相較圓形沖頭，存在圓角處極易破裂、 需要使用要求更高的潤滑措施等諸多缺陷。2、沖頭向上沖壓板料的時候，板料到相機快門 的距離會產(chǎn)生遠近的變化，這會造成圖像的放大效應(yīng)，造成測量誤差。3、裝置只能測量成形 極限的右半部分，左半部分需要依靠單向拉伸試驗以及經(jīng)驗公式。4、平頭沖頭質(zhì)量過大，向 上移動，無法實現(xiàn)高速實驗。
[0007] 因此，目前尚沒有一種能直接測量高應(yīng)變速率下，板料成形極限的裝置和方法，現(xiàn) 存的高應(yīng)變速率板料失效預(yù)測方法存在很大局限性，迫切需要一種新的成形極限圖，及其 測試裝置和測試方法來有效評價金屬板材在高速成形過程中的成形性能，為實際爆炸成 形、電磁成形、電液成形等生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的問題是提供一種金屬板材高速成形極限實驗裝置，能夠獲得不 同應(yīng)變速率下，不同應(yīng)變路徑下的板料成形極限，提供一種可準確、方便評價金屬板材高速 成形過程中的起皺、破裂問題的方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種金屬板材高速成型極限實驗裝置，包括:導(dǎo)軌支架， 凹模座，凹模，墊圈，壓邊圈，緊固螺釘，復(fù)合材料沖頭，升降支架，電動導(dǎo)軌，平板線圈，驅(qū)動 塊，連接棒，可調(diào)緩沖橡膠墊，限位槽，電磁鐵，銜鐵和控制電路;其特征在于：
[0010] 電動導(dǎo)軌布置在方形導(dǎo)軌支架上端，用電動機帶動升降支架上下移動和固定;升 降支架上用絕緣膠和電木粘接有平板線圈，平板線圈由電容器組供電，平板線圈產(chǎn)生脈沖 電磁力并推動緊鄰其布置的銅質(zhì)的驅(qū)動塊向下移動，從而帶動與驅(qū)動塊連接的連接棒，連 接棒與復(fù)合材料沖頭采用螺栓固定;復(fù)合材料沖頭上粘接銜鐵，實驗前被吸附在電磁鐵上， 電磁鐵的支撐柱用螺栓固定于升降支架上端，穿過支架下端的開孔與銜鐵相對；
[0011] 升降支架下端中部設(shè)計有開孔的限位槽，連接棒穿過其中；
[0012] 限位槽上端放置一塊能夠更換的環(huán)形緩沖橡膠塊；
[0013] 凹模座放置于導(dǎo)軌支架之間，凹模座上端是一個環(huán)形凹槽，環(huán)形的凹模放置于凹 模座上端的凹槽中；環(huán)形的凹模外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延筋；
[0014] 壓邊圈的外圈有環(huán)形布置有與凹模上螺紋孔相對的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模上對 應(yīng)的拉延筋；
[0015] 壓邊圈用周向布置的螺釘將板料壓死在板料上。
[0016] 凹模座下方安裝有實驗數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)；
[0017] 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實驗裝置。
[0018] 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實驗裝置本發(fā)明的有益效果在于：
[0019] 1)采用電磁發(fā)射方式發(fā)射輕質(zhì)高強度沖頭，設(shè)備簡單，維護方便，可將沖頭在極短 時間內(nèi)加速并以極高速度發(fā)射，可使板料獲得可在一定范圍內(nèi)調(diào)整的高應(yīng)變速率，同時由 于采用沖頭向下發(fā)射方式，達到重力勢能補充動能消耗，采用了電磁鐵，可在實驗發(fā)射前固 定沖頭。
[0020] 2)采用常用的符合國標的圓形沖頭，避免平底沖頭產(chǎn)生的各種缺陷，可在該實驗 裝置上，通過調(diào)整板料形狀，測量成形極限圖上任意線性應(yīng)變路徑的成形極限點。
[0021] 3)限制了沖頭行程，行程可通過調(diào)整可調(diào)緩沖橡膠塊改變，下方還設(shè)置了沖頭緩 沖裝置以進一步緩沖沖頭，并且由于高速照相機安置于緩沖裝置支座與凹模座之間，可有 效保護相機不會被沖頭損壞，還可以采用平面鏡系統(tǒng)，改變高速照相機位置，進一步保護相 機。
[0022] 4)實驗速度可通過調(diào)節(jié)電容器組電壓和電容量控制。
[0023] 5)采用兩臺高速照相機和一臺激光測距儀記錄印刷了網(wǎng)格的板料的三維變形過 程，解決了高速成形極限實驗過程中各點應(yīng)變和瞬間應(yīng)變速率測量的難題，解決了高速實 驗無法控制破裂終止實驗的難題，可通過記錄的圖像準確的找到初始破裂點。具有通過一 次試驗就可以完成尋找破裂的優(yōu)勢
[0024] 6)本發(fā)明所述的模具可以進行更換，可在不同的拉延筋高度下進行試驗。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的一種高速成形極限實驗裝置的示意圖和電路原理圖；
[0026] 圖2為凹模座2的截面圖和俯視圖；
[0027] 圖3為凹模3的截面圖和俯視圖；
[0028]圖4為壓邊圈6的截面圖和俯視圖；
[0029] 圖5為升降支架9的截面圖和A-A剖面圖；
[0030] 圖6為橡膠緩沖塊支座19的截面圖和俯視圖；
[0031]圖7為相機軸線平面計算原理圖。
[0032]圖中：1-導(dǎo)軌支架，2-凹模座，3-凹模，4-試驗板料，5-墊圈，6-壓邊圈，7-緊固螺 釘，8-復(fù)合材料沖頭，9-升降支架，10-電動導(dǎo)軌，11-平板線圈，12-驅(qū)動塊，13-連接棒，14-可調(diào)緩沖橡膠墊，15-限位槽，16-電磁鐵，17-銜鐵，18-沖頭橡膠緩沖塊，19-橡膠緩沖塊支 座，20-高速照相機，21-高速照相機支座，22-激光測距儀，23-電路總開關(guān)，24-變壓器，25-電容充電開關(guān)，26-保護電容，27-高壓整流橋，28-電容器組，29-沖頭發(fā)射開關(guān)，30-保護電 阻，31-整流橋。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖1-7和實施例對本發(fā)明作詳細說明。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明提供了的一種金屬板材高速成型極限實驗裝置，包括:導(dǎo)軌支 架1，凹模座2，凹模3，墊圈5，壓邊圈6，緊固螺釘7，復(fù)合材料沖頭8，升降支架9，電動導(dǎo)軌10， 平板線圈11，驅(qū)動塊12,連接棒13,可調(diào)緩沖橡膠墊14,限位槽15,電磁鐵16,銜鐵17,沖頭橡 膠緩沖塊18,橡膠緩沖塊支座19,高速照相機20,高速照相機支座21，激光測距儀22和控制 電路。
[0035] 其中，電動導(dǎo)軌10布置在方形導(dǎo)軌支架1上端，用電動機帶動升降支架9上下移動 和固定，升降支架9結(jié)構(gòu)如圖5所示，為一對面相通的正方體。升降支架9上用絕緣膠和電木 粘接有平板線圈11，平板線圈11由電容器組28供電，產(chǎn)生強大的脈沖電磁力，可推動緊鄰其 布置，活動的銅質(zhì)驅(qū)動塊12向下高速移動，從而帶動與其采用螺紋連接的連接棒13，連接棒 13與復(fù)合材料沖頭8采用螺栓固定。沖頭8上粘接銜鐵17,實驗前被吸附在電磁鐵16上，電磁 鐵16的支撐柱用螺栓固定于升降支架9上端，穿過支架9下端的開孔與銜鐵17相對。
[0036]升降支架9下端中部設(shè)計有增厚型開孔限位槽15,連接棒13穿過其中。限位槽上端 放置一塊可更換的環(huán)形緩沖橡膠塊14。
[0037]凹模座2獨立于導(dǎo)軌支架1，放置于導(dǎo)軌支架1之間，其下方可墊有一塊橡膠墊，凹 模座如圖2所示，其上端是一個環(huán)形凹槽，環(huán)形凹模3放置于凹模座2上端的凹槽中。環(huán)形凹 模3外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延筋，如圖3所不。
[0038] 壓邊圈6的外圈有環(huán)形布置有與與凹模3上螺紋孔相對的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模 3上對應(yīng)的拉延筋，如圖4所示。
[0039] 壓邊圈6用周向布置的螺釘7將板料5壓死在板料上。凹模座下方安裝有實驗數(shù)據(jù) 的采集系統(tǒng)，是兩臺呈對稱布置，相機軸線始終可以相交于一點的高速照相機20,和一臺垂 直布置，用于實時測量沖頭8與兩臺相機焦點所成直線的垂直距離的激光測距儀22。
[0040] 高速照相機20安裝在相機支座21上，激光測距儀安裝在橡膠緩沖塊支座19中央的 圓孔中，如圖6所示，橡膠緩沖塊支座19固定在沖頭8正下方，其中央圓孔正對沖頭9中央其 上圓形凹槽放置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊18。
[0041] 金屬板材高速成型極限實驗裝置采用的沖頭8向下沖壓板材4的模式，使得重力勢 能能為沖頭8補充一部分迫使板材4變形所消耗的能量。所用沖頭8為國標推薦的直徑為 100mm的半圓形沖頭，為減輕沖頭8質(zhì)量，沖頭8采用高強度復(fù)合材料制成，內(nèi)部中空，分為半 圓頭和蓋板兩部分，兩部分的連接采用膠接。采用輕質(zhì)材料的目的是使一定的平板線圈11 放電能量下，沖頭8能獲得更大的速度。裝置提供兩種不同質(zhì)量的沖頭8,使得在同樣的放電 能量下，沖頭能獲得兩種不同等級的速度。
[0042]連接棒13穿過升降支架9上的限位槽15中，使得沖頭8只能上下移動。驅(qū)動塊12與 限位槽15上可調(diào)緩沖橡膠塊14的距離為沖頭8的行程，這個距離略大于沖頭8到下方?jīng)_頭橡 膠緩沖塊18的距離，保證板料在破裂前相機都能清晰的拍攝到板料的照片，沖頭8的動能主 要由可調(diào)緩沖橡膠塊14吸收，過大的殘余動能將由沖頭橡膠緩沖塊18,同時其將起到保護 作用。
[0043]橡膠塊14環(huán)向設(shè)計開口，使得其不必拆卸驅(qū)動塊12,連接棒13,沖頭8的連接，并取 出連接棒13就可以更換橡膠塊。
[0044]金屬板材高速成型極限實驗裝置的實驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩臺呈對稱布置的 高速照相機20,高速照相機20軸線始終可以相交于一點；還包括一臺垂直布置的，用于實時 測量沖頭8與兩臺相機焦點所成直線的垂直距離的激光測距儀22。
[0045]高速照相機20安裝在相機支座21上，激光測距儀安裝在橡膠緩沖塊支座19中央的 圓孔中，橡膠緩沖塊支座19固定在沖頭8正下方，其中央圓孔正對沖頭9中央其上圓形凹槽 放置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊18。
[0046]金屬板材高速成型極限實驗裝置的控制電路包括電路總開關(guān)23,變壓器24,電容 充電開關(guān)25，保護電容26，高壓整流橋27，電容器組28，沖頭發(fā)射開關(guān)29，保護電阻30，整流 橋31。
[0047] 控制電路部分采用市電供電，電路總開關(guān)23控制電路的啟閉，通過變壓器24和高 壓整流橋27為高壓電容器組充電，電容器組28的電壓和電容容量可通過改變串并聯(lián)電容數(shù) 量調(diào)節(jié)，以改變放電能量，調(diào)節(jié)沖頭8速度。
[0048]電容器充電開關(guān)25控制電容器組28的通斷;保護電容26可以通過一定限度內(nèi)的交 流電，并阻斷由于過高的電容器組電壓導(dǎo)致的反向擊穿直流電，用于保護電容器組28充電 電路的安全。
[0049]發(fā)射按鈕29同時控制電容器組28的放電和電磁鐵16的斷電，按下沖頭發(fā)射按鈕29 時，電容器組28對平板線圈12放電，同時電磁鐵16斷電，將沖頭8發(fā)射出去。電磁鐵16頭部設(shè) 計有撞塊，當銜鐵撞擊撞塊的時候，會自動彈起發(fā)射按鈕29，電容器組29通路斷開，電磁鐵 16通電，吸住沖頭8,從而方便沖頭8的實驗前固定。
[0050] 實驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以使用平面鏡系統(tǒng)將相機安裝在別處，但其等效光路應(yīng) 滿足前述要求。對沖頭8運動范圍的限制、橡膠緩沖塊支座19和凹模座2的設(shè)計可起到對昂 貴的高速照相機20多重保護作用，使其不會被失控的沖頭8撞壞。
[0051] 此外，本發(fā)明還提供了利用上述實驗設(shè)備進行測試的方法，具體包括以下步驟： [0052]步驟1、開始實驗前，確認電容充電開關(guān)25處于斷開狀態(tài)，發(fā)射開關(guān)29處于發(fā)射檔 位，待電容器組28放電完成，以保障電路安全，平板線圈不會燒毀，電容器組調(diào)整前電容處 于不帶電狀態(tài)。開啟激光測距儀22,再將沖頭8上兩塊銜鐵17對準電磁鐵吸頭16且沖頭8圓 頭頂端對準激光光斑后，使銜鐵17撞擊電磁鐵16頭部的撞塊，發(fā)射開關(guān)29彈到電磁吸合檔 位，閉合電路總開關(guān)23。
[0053]步驟2、制作試驗板料4。
[0054]試驗板料4上印刷正方形網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，實驗越精確。
[0055] 步驟3、升起升降支架9,升起壓邊圈6,將試驗用板料4放置與凹模3上；
[0056] 放置時要盡量使試驗板料(4)上網(wǎng)格線平行或垂直于兩臺高速照相機(20)的相機 軸線所在平面，方便后續(xù)圖片的數(shù)據(jù)處理，閉合壓邊圈6,壓緊板料4。此步可根據(jù)各個的實 驗需要，更換不同的壓邊圈拉延筋高度。
[0057]步驟4、降下升降支架9,使沖頭8貼近板料4;
[0058]但需留出一段距離，其目的是為了使沖頭8有充足的加速距離完成瞬間加速，完 成加速后，沖頭依靠慣性高速沖擊板料4，板料4將在極短的時間內(nèi)被漲破，同時由于重力的 補償作用，可以認為板料在被漲破的過程中，應(yīng)變速率變化不大。
[0059]步驟5、調(diào)整兩臺高速照相機20角度，使成像中心都對準于板料4被激光光斑照射 的一個網(wǎng)格點，這可使得兩個所拍攝的圖像都不會由于板料表面拱起而被擋住一部分。記 錄兩臺相機與豎直線所夾的銳角9^02。這兩個夾角將用于后續(xù)的圖像處理。
[0060] 步驟6、調(diào)整電容器組28的耐壓值和電容值，調(diào)整變壓器電壓值與電容器組28耐壓 值對應(yīng)。閉合電容器充電25開關(guān)，完成電容器組28的充電。
[0061] 步驟7、完成充電后，確保斷開電容器充電開關(guān)25。
[0062]否則若直接按下發(fā)射開關(guān)29,平板線圈11可能燒毀?？稍O(shè)置一個熔斷保險。
[0063]步驟8、打開高速照相機20,確認激光測距儀22打開，進行照相機20初始對焦、圖像 長度的對標，測算初始高速照相機長度cU，d2(高速照相機焦點到初始對焦點的距離）。
[0064] 步驟9、高速照相機20,確認激光測距儀22二者進行時間對標，按下發(fā)射開關(guān)29。沖 頭8被發(fā)射，印刷了網(wǎng)格的板料4被高速脹形，脹形過程將被高速照相機20記錄下來，直到?jīng)_ 頭8達到最大行程，剩余動能被可調(diào)緩沖橡膠塊14和緩沖器18吸收。關(guān)閉高速照相機20,試 驗后斷開總電源，確認電容充電開關(guān)處于斷開狀態(tài)。依據(jù)高速照相機拍攝的照片找到破裂 點，確認破裂時應(yīng)變速率，求得破裂應(yīng)變。
[0065]基于本發(fā)明的實驗裝置，本發(fā)明還提供了一種通過兩個高速照相機以及激光測距 儀確定所拍攝空間中線段長度和坐標的方法，步驟如下：
[0066]步驟1.建立空間坐標系，在兩個高速照相機軸線相交的平面上，約定空間中激光 測距儀焦點為原點，水平方向為X軸，豎直方向為z軸，垂直X z平面方向為y軸。
[0067] 步驟2.建立圖像坐標系，約定拍攝圖像中激光測距儀焦點，也即空間中激光測距 儀焦點在成像平面上的投影為原點，兩個高速照相機成像平面與空間中兩個高速照相機軸 線相交的平面的交線上分別建立ai，a2軸，垂直交線方向建立bi，b2軸。
[0068] 步驟3.空間中任意一條直線，其長度為1R，將其往兩個高速照相機軸線相交的平 面上投影，投影長度為1，可知
[0069] 12R=12 +Γ; (1)
[0070] 其中l(wèi)y是空間直線在y軸上的投影長度，由小孔成像原理易知y軸上的投影長度與 圖像上b軸的長度正相關(guān)，即I y=kbilbi = kb2lb2，因此
[0071] /； =l: + {k,J,y (2)
[0072] 其中，kb是基于對應(yīng)高速照相機的焦點到空間直線在y軸上投影的中點的高速照 相機長度d決定的圖像對標系數(shù)，我們首先將采用先前測算的初始高速照相機長度d^cb。
[0073] 步驟4.兩個高速照相機軸線與豎直線的夾角01，02已知，測量圖像坐標系中，空間 直線分別在ai，a 2軸上的長度1^12,它們在兩個高速照相機軸線相交的平面中的關(guān)系如圖7 所示，可以證明，
[0074]
[0075] 其中，kal和ka2分別是基于對應(yīng)高速照相機的焦點到投影直線的中點的高速照相 機長度d al，da2決定的圖像對標系數(shù)(空間直線投影直線的中點并不一定體現(xiàn)為圖像上直線 的中點，這需要根據(jù)高速照相機軸線與直線相對傾斜角和高速照相機長度測算，高速照相 機長度越大，相對傾斜角越接近直角，越接近中點），我們首先將采用先前測算的初始高速 照相機長度cU，d 2。
[0076] 聯(lián)立公式(2)，（3)，可得待求空間長度
[0077]
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[0078] 同時可以確定直線端點的空間坐標，可以求取如圖7所示中，空間直線在高速照相 機軸線平面中投影線與水平線的夾角0:，可以證明
2 3 4 這樣可分別初步求得空間直線的x，z軸坐標值lcose^lsinQi，而y軸坐標值就是 kblb，這個坐標值是基于以空間直線一個端點為原點的空間坐標系，我們還要求得其在步 驟1中建立坐標系中的坐標值，這就需要按照步驟3~4的方法求得端點到激光聚焦點這條 之間的距離。 5 同時，根據(jù)目前的高速照相機長度和軸線夾角0^02，由小孔成像原理，可以測算出 空間投影直線1對應(yīng)圖像上的線段中點。圖像上中點到兩端的距離比滿足下面的關(guān)系式：
[0084]
[0085] 其中，81和82分別是圖像上空間中點到端點的短邊和長邊長度。而y軸上的線段中 點在圖像上也表示為中點，從而進一步修正線段中點空間坐標值。
[0086]步驟5.通過步驟4最后求得的坐標，通過激光測距儀測得的該時刻空間坐標原點 到兩高速照相機焦點連線的距離，沖頭直徑100mm，兩個高速照相機軸線與豎直線的夾角 Θ!，θ2，由空間幾何關(guān)系求得相應(yīng)的高速照相機長度dal，da2，d bl，db2，（求得的高速照相機長 度為空間線段中點到高速照相機焦點平面的距離)修正圖像對標系數(shù)1^ 1，1^2，1^1，1^2，其關(guān) 系是
[0087]
[0088]其中k'，d'和k，d分別表示修正的圖像對標系數(shù)，高速照相機長度和上一步采用的 圖像對標系數(shù)，高速照相機長度。
[0089]步驟6.采用修正的數(shù)據(jù)，不斷重復(fù)步驟3~5，直到所求得兩次坐標之差小于一個 約定的誤差限δ。
[0090] 步驟7.由于板料上網(wǎng)格是在沖頭8的圓面上，沖頭半徑R，板料厚度t已知，弦長轉(zhuǎn) 弧長，變形后網(wǎng)格線實際長度SR有
[0091]
[0092] 這里忽略了板料變形后，板料厚度t的變化。SR即為所求，可用于計算應(yīng)變，而連續(xù) 兩張圖片計算所得應(yīng)變，可用于計算應(yīng)變速率。
[0093] 為了提高計算效率，減小計算強度，根據(jù)試驗需要，以上計算方法可通過如下幾種 方式減小計算量：
[0094] 1.通過實驗記錄的圖片，確定板料的初始破裂位置，只對處于初始破裂位置的網(wǎng) 格進行如上跟蹤分析。
[0095] 2.采用平面鏡系統(tǒng)，改變照相機的位置，使照相機焦點到拍攝點的距離盡量長，這 樣板料變形過程中引起的照相機長度變化相對較小，計算收斂將更快。同時，采用平面鏡系 統(tǒng)還可以更好的保護照相機。
[0096] 3 .計算變形過程中的應(yīng)變速率和應(yīng)變時，若照相機長度較長，可不對圖像對標系 數(shù)進行修正，或者隔一定距離修正一次。
[0097]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明進行了進一步的詳細說明，以上所述僅為本 發(fā)明的一種【具體實施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明。例如壓緊壓邊圈的方式可以使用液 壓栗驅(qū)動的液壓缸。實驗使用的照相機可以不用布置在底部，底部可用兩個平面鏡代替，兩 臺高速照相機布置在平面鏡的光路上。還包括使用現(xiàn)有DIC設(shè)備和平底沖頭。尤其是本發(fā)明 提供的一種通過兩個照相機以及激光測距儀確定所拍攝空間中線段長度和坐標的方法，不 局限于本專利中描述的采用印刷網(wǎng)格的方式，其還包括了在板料噴涂散斑，采用類似于DIC 的圖像處理技術(shù)，通過圖像轉(zhuǎn)換矩陣的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線處理。
【主權(quán)項】
1. 一種金屬板材高速成型極限實驗裝置，其特征在于： 包括導(dǎo)軌支架（1)，凹模座(2)，凹模(3)，墊圈（5)，壓邊圈（6)，緊固螺釘(7)，復(fù)合材料 沖頭(8)，升降支架(9)，電動導(dǎo)軌（10)，平板線圈（11)，驅(qū)動塊（12)，連接棒（13)，可調(diào)緩沖 橡膠墊(14)，限位槽(15)，電磁鐵(16)，銜鐵(17)和控制電路;其特征在于： 電動導(dǎo)軌（10)布置在方形導(dǎo)軌支架（1)上端，用電動機帶動升降支架(9)上下移動和固 定;升降支架(9)上用絕緣膠和電木粘接有平板線圈（11)，平板線圈（11)由電容器組(28)供 電，平板線圈（11)產(chǎn)生脈沖電磁力并推動緊鄰其布置的銅質(zhì)的驅(qū)動塊（12)向下移動，從而 帶動與驅(qū)動塊(12)連接的連接棒(13)，連接棒(13)與復(fù)合材料沖頭(8)采用螺栓固定;復(fù)合 材料沖頭(8)上粘接銜鐵(17 )，實驗前被吸附在電磁鐵(16)上，電磁鐵(16)的支撐柱用螺栓 固定于升降支架(9)上端，穿過支架(9)下端的開孔與銜鐵(17)相對； 升降支架(9)下端中部設(shè)計有開孔的限位槽(15)，連接棒(13)穿過其中； 限位槽(15)上端放置一塊能夠更換的環(huán)形緩沖橡膠塊(14); 凹模座（2)放置于導(dǎo)軌支架（1)之間，凹模座（2)上端是一個環(huán)形凹槽，環(huán)形的凹模（3) 放置于凹模座（2)上端的凹槽中；環(huán)形的凹模(3)外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延 筋； 壓邊圈（6)的外圈有環(huán)形布置有與凹模（3)上螺紋孔相對的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模 (3)上對應(yīng)的拉延筋； 壓邊圈(6)用周向布置的螺釘(7)將板料(5)壓死在板料上； 凹模座(2)下方安裝有實驗數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)； 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實驗裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬板材高速成型極限實驗裝置，其特征在于:實驗數(shù)據(jù)的采 集系統(tǒng)包括兩臺呈對稱布置的高速照相機（20)，高速照相機(20)軸線始終可以相交于一 點;還包括一臺垂直布置的，用于實時測量沖頭(8)與兩臺相機焦點所成直線的垂直距離的 激光測距儀(22)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬板材高速成型極限實驗裝置，其特征在于：高速照相機 (20)安裝在相機支座(21)上，激光測距儀(22)安裝在橡膠緩沖塊支座（19)中央的圓孔中， 橡膠緩沖塊支座（19)固定在沖頭(8)正下方，其中央圓孔正對沖頭(9)中央其上圓形凹槽放 置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊(18)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬板材高速成型極限實驗裝置，其特征在于:控制電路還包 括電路總開關(guān)(23)，變壓器(24)，電容充電開關(guān)(25)，保護電容(26)，高壓整流橋(27)，電容 器組(28)，沖頭發(fā)射開關(guān)(29)，保護電阻(30)，整流橋(31); 電路總開關(guān)(23)控制電路的啟閉，通過變壓器(24)和高壓整流橋(27)為高壓電容器組 充電，電容器組(28)的電壓和電容容量可通過改變串并聯(lián)電容數(shù)量調(diào)節(jié)，以改變放電能量， 調(diào)節(jié)沖頭(8)速度； 電容器充電（25)控制電容器組(28)的通斷;保護電容(26)通過一定限度內(nèi)的交流電， 并阻斷由于過高的電容器組電壓導(dǎo)致的反向擊穿直流電，用于保護電容器組(28)充電電路 的安全； 發(fā)射按鈕(29)同時控制電容器組(28)的放電和電磁鐵(16)的斷電。
【文檔編號】B21D55/00GK105855351SQ201610201325
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】崔俊佳, 鄧樺坤, 李光耀, 孫光永
【申請人】湖南大學(xué)