CN103592190A - 金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置及方法，包括力学加载模块、固定在力学加载模块底部的板料夹紧可调模块；力学加载模块通过试验机固定悬空并竖直设置，在力学加载模块X方向左右两侧对称设置X方向调节块，各X方向调节块前后端分别固定在Y方向调节块上，并能够由Y方向调节块分别带动在底座上沿Y方向前后水平滑动；操作简便自动化，不仅能测量出加载过程中的力和位移，还能将加载过程中板料上下表面任意点的坐标值、曲率半径和应变值，试验数据误差小，满足板料的包申格效应试验的灵活要求，为确定板料的包申格效应的材料参数提供准确的标定依据。

Description

金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置及方法

技术领域

本发明属于金属板料物理性能、力学性能检测技术领域，具体属于金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置及方法。

背景技术

现有金属板反复弯曲试验装置是检测员将一片被测试样钢板用手将其夹紧，反复摇动摇柄进行检测，在此实验过程中仅仅是可以目测到板料的变化情况而无法用实验数据记录，而且劳动强度大、检测周期长、常有试样夹不紧现象。手动反复弯曲试验装置没有设置薄板金属材料的预紧机构，金属薄板在弯曲过程中，因为旋转拉伸，会使薄板发生轻微伸长，在弯曲通过中心时，薄板因伸长无法紧贴弯曲圆弧，使弯曲半径发生变化，影响试验数据，导致试验数据误差较大。此外，部分优良的金属板料包申格效应的检测方式仅仅停留在建立金属板料被加载的载荷和加载载荷的位移的基础上得到，数据单一、精度不高，与计算机模拟和理论预测的模型数据有一定的差异性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置及方法，装置结构简单，操作方便，试验板料可以灵活选择，试验数据精确，试验数据误差小，实验后可以得到试验板料包申格效应的材料性能参数，满足板料生产检测的灵活要求，装置本身的安装和拆卸都非常方便；检测方法不仅能测量出加载过程中的力和位移，还能将加载过程中板料上下表面任意点的坐标值、曲率半径和应变值，试验数据误差小，满足板料的包申格效应试验的灵活要求，为确定板料的包申格效应的材料参数提供准确的标定依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：包括力学加载模块、固定在力学加载模块底部的具有前后加载支架的板料夹紧可调模块；力学加载模块通过试验机固定悬空并竖直设置，在力学加载模块和板料夹紧可调模块X方向左右两侧对称设置用于板料平整度调整的X方向调节块，各X方向调节块前后端分别固定在Y方向调节块上，并能够由Y方向调节块分别带动在底座上沿Y方向前后水平滑动；Y方向调节块的左右两端分别设置滑动导向槽，各滑动导向槽内侧分别和位于其中的扇形滑动块斜面配合，使得扇形滑动块能够沿滑动导向槽在Y方向前后水平运动且不偏移；U型横梁悬空横跨于X方向调节块上方且夹置在前后加载支架之间；前后加载支架之间沿Y向水平设置上压辊和下压辊，上压辊和下压辊间留有板料的通过间隙；两X方向调节块结构相同，各自均包括由前后支架支撑的至少一对能够沿Z向上下运动调整的夹紧辊，夹紧辊的水平调整上压辊和水平调整下压辊将板料夹置并均能够随板料位移而转动；在U型横梁的下表面安装上光栅位移传感器，相对应的，下光栅位移传感器的底座固定安装在扇形滑动块上表面；在U型横梁底部的左端或右端安装Y向光栅位移传感器；两个激光传感器分别对应安装在上光栅位移传感器和下光栅位移传感器的读数头上；上光栅位移传感器和下光栅位移传感器的读数头均能沿X向水平移动；各传感器均与数据采集盒信号连接。

按上述技术方案，夹紧辊的水平调整上压辊和水平调整下压辊两端均通过水平调整压辊可转动轴承可转动的固定在水平调整压辊滑块上，水平调整压辊滑块上下端均通过一个套置了压缩弹簧的可调节等高螺钉固定在滑块固定板上；滑块固定板固定在耳轴固定板上，耳轴固定在耳轴固定板上且穿过耳轴固定板之后通过小径滚动轴承旋转架设在各X方向调节块前后支架的支撑孔中。

按上述技术方案，在耳轴的外端头连接固定耳轴与角度传感器连接杆，耳轴与角度传感器连接杆的外断头连接角度传感器，角度传感器位于各X方向调节块前后支架的支撑孔外侧且与数据采集盒信号连接。

按上述技术方案，小径滚动轴承通过轴承固定套筒固定在各X方向调节块前后支架的支撑孔中，轴承固定套筒外端由固定法兰固定在前后支架上。

按上述技术方案，位于同一个X方向调节块的前后支架通过相互平行的上台阶螺钉和下台阶螺钉连接固定，上台阶螺钉和下台阶螺钉均由各自的台阶螺钉锁定。

按上述技术方案，上压辊和下压辊均各自通过预紧螺钉固定并根据板料夹紧可调节螺钉进行Z向加紧调整；X方向调节块前后支架底部均各自通过X方向预紧螺钉固定在各自的Y方向调节块上；各Y方向调节块通过Y方向预紧螺钉、Y方向预紧螺栓固定在Y方向调节块支撑垫板上，Y方向调节块支撑垫板下方依次与底座垫板、底座连接板连接在一起，底座连接板连接弯曲试验机连接部分。

采用本发明的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置进行的包申格效应检测方法，其特征在于：通过实时的数据检测获取反复弯曲金属板得到的载荷、位移和金属板表面坐标数据，利用目标函数优化算法得到精确的金属板包申格效应材料参数；具体步骤为：

金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置根据被测金属板料的长度、宽度和厚度灵活调节支撑和夹持部位；

在金属板反复弯曲过程中，测量任意时刻金属板料上下表面任意点位置各自的x，y，z坐标值，和此时角度传感器的测量角度β；计算板料上下表面任意点的曲率值r=tgθ；其中r为板料任意弯曲时的对应坐标点的曲率，θ为板料拟合后的任意点的弯曲角度；

在金属板料上施加载荷F，通过板料弯曲过程中的优化目标函数测定金属包申格效应的4个材料常数，4个材料常数分别为：各向同性硬化材料组成第一材料常数Q，单位MPa；各向同性硬化材料组成第二材料常数b；运动硬化材料组成第一材料常数C，单位GPa；运动硬化材料组成第二材料常数γ；所述板料弯曲过程中的优化目标函数为：

$\min \left[\mathrm{\Φ}(F,l,r,\mathrm{\ϵ})\right]=$

$\frac{1}{2}{[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i^s\left(p\right)-F_i^e)}^2+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(l_i^s\left(p\right)-l_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\β}}_i^s\left(p\right)-{\mathrm{\β}}_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_j^s\left(p\right)-r_j^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j^s\left(p\right)-{\mathrm{\ϵ}}_j^e)}^2]}^{\frac{1}{2}}$

其中，F表示在i时刻的试验中加载的力，l为在i时刻的试验中板料上点的弯曲挠度，r为在i时刻的某点的曲率大小，ε为在i时刻的测量的某点的应变值，m为试验中记录的总的时间点数，向量p包含有4个材料参数，定义为p={Q，b，C，γ}^T；

对于板料在每个给定时刻i，记录板料上下表面的n个挠度；

表示在i时刻的板料有限元模拟的载荷大小；

表示在时刻的板料实际测量的载荷的大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的挠度大小；表示在i时刻的板料实际测量的的挠度大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的耳轴位置弯曲角度大小；表示在i时刻的板料在角度传感器下实际测量的耳轴位置弯曲角度大小；表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的曲率半径大小；

表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的曲率半径大小；

表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的应变值；

表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的应变值；

对于任意i时刻，改变材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T，应用有限元模型

模拟计算载荷

挠度曲率

和应变

与对应的该时刻实际测量载荷挠度

曲率和应变

共同计算定义的板料弯曲过程中的优化目标函数，得到使目标函数min[Ф(F，l，r，ε)]趋近于无限小时的材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T；采用目标优化算法，对材料参数向量进行全局搜索，采用假设和迭代算法实现目标函数的最小化，确定包申格效应的材料参数参数Q，b，C，γ。

本发明利用水平方向的光栅位移传感器可以测量板料上下表面测量点的x，y坐标，利用激光传感器在测量板料的弯曲变形和弯曲过程中任意点的z坐标值。在板料的X轴方向上有上下两个光栅位移记录传感器，记录板料上任意测量点的x坐标，由于板料有一定的厚度，为了便于记录板料任意点的变化情况，观察板料上下表面的在该点的对比数据，所以需要安装上下两个光栅位移传感器，在Y轴上，由于上下两个光栅位移传感器是连接在一个整体上，所以只需要在Y轴上安装相应的一个光栅位移传感器，板料在反复弯曲过程中，光栅位移传感器能记录任意点的x，y坐标测量值，板料在该位置对应点的z坐标通过激光传感器可视实现自动记录，在试验过程中，支点位置的弯曲角度可以通过角度位移传感器直接读出。本装置中采用的光栅位移传感器、激光传感器和角度传感器类型是采用专业的数据采集模块和软件模块进行收集和处理，在完成一次板料的弯曲实验后，所有经过测量的数据均可以在该软件模块中查询得到。

本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果：

本发明解决传统测量金属板料包申格效应时仅仅依据板料上单点加载力和单点位移的问题，实现试样上样、夹样、运动、下样简单化，操作简便，不仅能测量出加载过程中的力和位移，还能将加载过程中板料上下表面任意点的坐标值、曲率半径和应变值，试验数据误差小，满足板料的包申格效应试验的灵活要求，为确定板料的包申格效应的材料参数提供准确的标定依据。实验结果准确度高、并符合国标要求，旨在提供试验数据精确的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置。结构简单，操作方便，试验板料可以灵活选择，试验数据精确，试验数据误差小，可以得到板料包申格效应的材料性能参数，满足板料生产检测的灵活要求，装置本身的安装和拆卸都非常方便。主要用于实验室内通过反复弯曲金属板得到载荷、位移和金属板表面坐标等数据，进而确定该金属板包申格效应参数的实验设备，

附图说明

图1是本发明金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置的主视图；

图2为图1的部分剖视展示图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的左视图（去除了U型横梁40）；

图5是力学加载装置的放大图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是图3的A-A剖视图；

图8是图7的局部L放大视图；

图9是图8的C-C剖视图；

图10是图8的D-D剖视图；

图11是图7的局部R放大视图；

图12是图3的局部M视图（也为扇形滑动块44的俯视图）；

图13是图3的E-E剖视图；

图14是本发明金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置的测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-14对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明。

如图1-7所示，根据本发明实施的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，包括力学加载模块、固定在力学加载模块底部的具有前后加载支架5的板料夹紧可调模块；力学加载模块通过试验机固定悬空并竖直设置，在力学加载模块和板料夹紧可调模块X方向左右两侧对称设置用于板料平整度调整的X方向调节块(24、23)，各X方向调节块(24、23)前后端分别固定在Y方向调节块（Y方向前调节块25和Y方向后调节块27）上，并能够由Y方向调节块分别带动在底座上沿Y方向前后水平滑动；Y方向调节块的左右两端分别设置滑动导向槽45，扇形滑动块44置于滑动导向槽45之间且能够沿滑动导向槽45上的导轨上Y方向前后水平运动；扇形滑块44的俯视图如图12所示，扇形滑动块44是在装置的滑动导向槽45上作Y方向的移动，滑动块44和滑动导向槽45的装配关系如图13所示，由于本装置两侧分别安装有一个滑动导向槽，导向槽靠装置的两内侧分别和各自对应的扇形滑块是斜面配合，从而限制了扇形滑块的X方向运动，只能沿着滑动导向槽作Y方向运动（此处的扇形滑动块44和Y方向前调节块25无任何连接关系）。U型横梁40悬空横跨于左右夹紧分支的X方向调节块(24、23)上方且夹置在前后加载支架5之间；U型横梁40两底座固定在扇形滑动块44的两端；前后加载支架5之间沿Y向水平设置上压辊6和下压辊9，上压辊6和下压辊9间留有板料7的通过间隙；两X方向调节块(24、23)结构相同，各自均包括由前后支架支撑的至少一对能够沿Z向上下运动调整的夹紧辊（水平调整上压辊14、水平调整下压辊16），夹紧辊的水平调整上压辊14和水平调整下压辊16将板料7夹置并均能够随板料7位移而转动；在U型横梁40的下表面安装上光栅位移传感器41，相对应的，下光栅位移传感器43的底座固定安装在扇形滑动块44上表面；在U型横梁40底部的左端或右端安装Y向光栅位移传感器42；两个激光传感器分别对应安装在上光栅位移传感器41和下光栅位移传感器43的读数头上；上光栅位移传感器41和下光栅位移传感器43的读数头均能沿X向水平移动；各传感器均与数据采集盒48信号连接。

按上述技术方案，夹紧辊的水平调整上压辊14和水平调整下压辊16两端均通过水平调整压辊可转动轴承22可转动的固定在水平调整压辊滑块21上，水平调整压辊滑块21上下端均通过一个套置了压缩弹簧20的可调节等高螺钉（11、19）固定在滑块固定板13上；滑块固定板13固定在耳轴固定板12上，耳轴17固定在耳轴固定板12上且穿过耳轴固定板12之后通过小径滚动轴承18旋转架设在各X方向调节块(24、23)前后支架的支撑孔中。

按上述技术方案，在耳轴17的外端头连接固定耳轴与角度传感器连接杆38，耳轴与角度传感器连接杆38的外断头连接角度传感器39，角度传感器30位于各X方向调节块(24、23)前后支架的支撑孔外侧且与数据采集盒48信号连接。

按上述技术方案，小径滚动轴承18通过轴承固定套筒37固定在各X方向调节块(24、23)前后支架的支撑孔中，轴承固定套筒37外端由固定法兰35固定在前后支架上。

按上述技术方案，上压辊6和下压辊9均各自通过预紧螺钉8固定并根据Z向高度调整安装位置；X方向调节块(24、23)前后支架底部均各自通过X方向预紧螺钉28固定在各自的Y方向调节块上；各Y方向调节块通过Y方向预紧螺钉26、Y方向预紧螺栓29固定在Y方向调节块支撑垫板30上，Y方向调节块支撑垫板30下方依次与底座垫板49、底座连接板15连接在一起，底座连接板15连接弯曲试验机连接部分。

按照各种功能的具体结构模块划分如下：

如图1-6所示，力学加载模块由加载试验头1、锁紧套2、Y方向滑动导向槽3、锁紧螺钉4、加载支架5组成，力学加载部分主要连接在可记录加载力和位移的弯曲试验机上，当加载试验头1与加载的试验机连接后，锁紧套2可以让加载试验头1与试验机稳固连接，保证在加载过程中的力加载的稳定性和方向一致性，Y方向滑动导向槽3可以使加载支架5沿Y方向调节，可用于不同的宽度的板料都能在本模块上使用，当确定好一种板料的试验宽度并加载好板料后，利用锁紧螺钉4将加载支架5锁紧并固定在Y方向滑动导向槽3上，使整个试验模块的力学加载部分稳定可靠。

如图7所示，板料夹紧可调模块由加载支架5、上压辊6、板料7、预紧螺钉8、下压辊9、板料夹紧可调节螺钉10组成，上下压辊6、9用来夹紧板料7，使板料在中间的支点位置固定不能运动，加载支架5用来控制上下压辊的夹紧方向，预紧螺钉8与压辊的两端相连接，保证压辊在试验时不发生偏向，当一种板料试样7被确定后，采用板料夹紧可调节螺钉10上下压辊的调节距离，试验时调节板料到最佳的夹紧状态，其中两个连接块可以在沿板料厚度方向调节，上下两个压辊同时可以依据需要的板料厚度利用下端的锁紧螺钉来调节，压辊长度可以依据板料的宽度来变换。

如图11、12所示，试验板料平整度调整模块是由上下4个可调节等高螺钉11、19、压缩弹簧20、水平调整压辊滑块21、水平调整压辊可转动轴承22、耳轴17、耳轴固定板12、固定小径滚动轴承18、水平调整上压辊14、水平调整下压辊16、滑块固定板13组成，当选定了一种板料后，在实验加载过程中，理想状态是板料要在支点和加载位置保持水平状态，这时可以调节板料两侧的4个可调节等高螺钉11、19，水平调整上下压辊（14/16）与板料直接接触，水平调整上下压辊其两端各有一个水平调整压辊可转动轴承22，其可以使板料在弯曲时与该位置的压辊产生摩擦和转动。同时各水平调整上下压辊（14、16）的两端固定在水平调整压辊滑块21上，水平调整压辊滑块21与可调节等高螺钉11、19、压缩弹簧20相连，由于压缩弹簧的预紧作用，可调节等高螺钉11、19与水平调整压辊滑块21的螺纹连接产生上下运动，以此来调节板料的水平程度。同时，由于水平调整上压辊14、水平调整下压辊16与板料之间可发生摩擦滑动和滚动，当调节可调节等高螺钉11、19时，为板料在运动过程中的承载支点的摩擦力的测量提供了条件，为建立板料的反复弯曲包申格模型效应的检测加入了一个影响因素。

板料尺寸长度、宽度、厚度可调模块是由X方向调节块24和23、X方向预紧螺钉28、Y方向前调节块25和Y方向后调节块27、Y方向预紧螺钉26、Y方向预紧螺栓29、试验板料平整度调整模块、Y方向调节块支撑垫板30组成，板料长度方向上的调节在本模块中主要依靠承载支点的调节得到，太长的板料由于其承载支点的限制不适合做反复弯曲试验，由于本模块在X方向上的承载支点可以在一定的空间内调节，因此板料的长度可以在一定的范围内调节。板料宽度的调节由板料夹紧可调模块由加载支架5、上下压辊6、9、Y方向前后调节块25和27、水平调整上压辊14、水平调整下压辊16组成，当选定一种板料的宽度时，对应调整上下压辊6、9、水平调整上压辊14、水平调整下压辊16的长度，而Y方向前后调节块可以便捷地调整新的宽度的板料后的承载支点。板料厚度的调节是通过上下压辊6、9、水平调整上压辊14、水平调整下压辊16在对应的锁紧螺钉、可调节等高螺钉11、19来调节实现。当重新做一组新的板料厚度试验时，拧动锁紧螺钉、可调节等高螺钉11、19可以控制上下压辊6、9、水平调整上压辊14、水平调整下压辊16的上下距离，进而灵活调节适应不同厚度的板料试验需求。金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置的板料尺寸调整模块，在做完一种板料尺寸的实验时，只需要调整螺钉部分的调节板料厚度，可是实现在做完一种板料的实验后，不需要在拆装本实验装置的基础上，实现重新安装另外一种厚度板料进行重新做实验。从而降低了做几次实验过程中的重新校准和对正，较少多次实验的误差。

板料承载支点可调式模块是由X方向调节块(24、23)、X方向预紧螺钉28组成，板料X方向的承载支点的X方向的调节如图7所示，是通过先松开X方向预紧螺钉28，通过控制X方向调节块24和23在Y方向前调节块25和Y方向后调节块27上水平横向运动，调节好调节块24和23的位置后，再锁紧预紧螺钉28，从而实现对支撑模块24和23的X方向位置的自由控制。在X方向调节块24和23上有一个凹槽如图7所示，供X方向调节块24和23在Y方向前后调节块25和27上运动时的调节和锁紧。另外Y方向前后调节块25和27的外端的一个Y方向调节块支撑垫板30，Y方向前后调节块25和27在Y方向调节块支撑垫板30上作水平Y方向运动。在限位板中间有一个T型槽、Y方向预紧螺钉26、Y方向预紧螺栓29，供Y方向前后调节块25和27在Y方向运动时的调节和锁紧。锁紧模块上台阶螺钉31、上台阶螺钉锁紧螺栓33、下台阶螺钉32、上台阶螺钉锁紧螺栓34组成，由于板料在反复弯曲过程中本模块会受到不断的剪切应力的作用，加载了锁紧模块会消除剪切应力对本模块的影响。在试验的板料的尺寸确定后，在X方向调节块24和23的中心孔位，分别上下安装两个台阶螺钉31、33和台阶螺钉锁紧螺栓32、34，保证在试验时剪切应力的消除。

如图1、14所示，位移点x，y坐标测量模块是由U型横梁40、上光栅位移传感器41、扇形滑动块44、下光栅位移传感器43、外侧光栅位移传感器42、滑动导向槽45组成，下光栅位移传感器43的底座固定安装在扇形滑动块44上表面，其位移传感器读数头在其上端可做X方向水平滑动，上光栅位移传感器41安装在U型横梁40的下表面，其位移传感器读数头在其下端可做X方向水平滑动，此外，在Y方向上，在U型横梁40的右端同时安装Y向光栅位移传感器42，由于扇形滑动块44是在滑动导向槽45上的导轨上做水平Y方向运动，而在这个位置安装的Y向光栅位移传感器42的读数头正好连接在扇形滑动块44上，这样测量点的y坐标值就可以通过Y向光栅位移传感器42的读数得到，x，y坐标的测量得出如图15所示。

位移点z坐标测量模块是由分别绑定在上光栅位移传感器41和下光栅位移传感器43上的上激光传感器46、下激光传感器47组成；两个激光传感器分别对应安装在上光栅位移传感器41和下光栅位移传感器43的读数头上，当板料发生弯曲变形时，沿X向移动两个光栅位移传感器（41、43）的读数头，激光传感器46、47也随着读数头的运动记录板料上下表面在对应位置的z坐标值，z坐标的测量得出如图14所示。

如图8和11所示，角度测量模块是由耳轴17、固定小径滚动轴承18、轴承固定套筒37、固定法兰35、锁紧螺钉36、耳轴与角度传感器连接杆38、角度传感器39组成，角度位移传感器39的安装：以角度位移传感器39的安装凸台定位，用螺钉、螺母或压板固紧在金属板上，3个接线柱或红、黄、蓝三根线对应标牌标记1、2、3，分别表示：1是输入端；2是输出端；3是接地。如果引出端2接错线会烧坏传感器从1端到3端角度旋转或直线位移时阻值发生变化，由2端按线性规律高精度输出，同时通过变换电路将阻值变化转换为信号显示，角度传感器角度可以精确到小数点后面两位数字，数据比较精确，试验中，当有加载位移施加在板料时，板料发生弯曲变形，两侧的承载支点因为板料的弯曲变形产生交错运动，由于有耳轴17的作用，板料的弯曲变形最后使和耳轴17固定在一起的水平调整上压辊14、水平调整下压辊16产生对向相对转动效果，耳轴17在固定位置与固定小径滚动轴承18安装在一起，而固定小径滚动轴承18又是通过过盈配合方式安装在X方向调节块(24、23)，保证转动时耳轴不发生其他的位移，只产生绕耳轴17中心轴线的周向转动，由于水平调整上压辊14、水平调整下压辊16不是直接安装在水平调整压辊滑块21中，之间还有配套的滚动轴承，所以水平调整上压辊14、水平调整下压辊16随着耳轴17的转动也同时平动，但本身由于有滚动轴承的存在会在上述运动的过程中产生自转运动。故此时同一竖直线上的水平调整上压辊14、水平调整下压辊16是相对转动，此时同一端的两个平行的水平调整上压辊14的转动方向相同。，耳轴沿其外端与角度传感器连接杆38、角度传感器39相连，这样耳轴转动的角度如图14所示的β角可以直接通过角度传感器读出，为板料的包申格效应的检测加入了一个影响因子。

如图14所示的测量示意图，利用本装置配套的软件模块将多个点的数据拟合成板料弯曲曲线如图中的弧形板料所示，利用光栅位移传感器41、42、43，激光传感器46、47，角度传感器39测量出板料在反复弯曲过程中的任意时刻的板料上任意点的坐标值P′(x′,y′,z′)和P(x,y,z)以及此时角度传感器的测量角度β，同时由于板料任意时刻的弯曲曲线可表达，为此板料上下表面任意点的曲率值可以通过公式r=tgθ得到，其中r为板料任意弯曲时的对应坐标点的曲率，θ为板料拟合后的任意点的弯曲角度。在图14中，当金属板料弯曲到一个角度时，由于板料本身已经刷上网格，在弯曲变形时板料的网格大小会发生变化，需要测定在某个时刻的板料上的某个位置的应变时，加上测量应变值专用的应变对比块，可以直接测量出在任意P点出的应变值

在包申格效应的材料参数的检测试验中，在t时刻施加在金属板料上的载荷F，板料上的点的位移l,板料上的点的应变ε测量和计算得出后，就可在本实验中利用特定的优化算法测定金属包申格效应的4个材料常数，分别为：

各向同性硬化材料组成第一材料常数Q，单位MPa；各向同性硬化材料组成第二材料常数b；运动硬化材料组成第一材料常数C，单位GPa；运动硬化材料组成第二材料常数γ；

定义板料弯曲过程中的优化目标函数为：

$\min \left[\mathrm{\Φ}(F,l,r,\mathrm{\ϵ})\right]=$

$\frac{1}{2}{[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i^s\left(p\right)-F_i^e)}^2+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(l_i^s\left(p\right)-l_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\β}}_i^s\left(p\right)-{\mathrm{\β}}_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_j^s\left(p\right)-r_j^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j^s\left(p\right)-{\mathrm{\ϵ}}_j^e)}^2]}^{\frac{1}{2}}$

定义的优化目标函数为min[Ф(F，l，r，ε)]，其中F表示在i时刻的试验中加载的力，l为在i时刻的试验中板料上点的弯曲挠度，r为在i时刻的某点的曲率大小，ε为在i时刻的测量的某点的应变值，m为试验中记录的总的时间点数，向量p包含有4个材料参数，定义为p={Q，b，C，γ}^T。在本实验中，对于板料在每个给定时刻i，记录板料上下表面的n个挠度；

表示在i时刻的板料有限元模拟的载荷大小；表示在时刻的板料实际测量的载荷的大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的挠度大小；

表示在i时刻的板料实际测量的的挠度大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的耳轴位置弯曲角度大小；

表示在i时刻的板料在角度传感器下实际测量的耳轴位置弯曲角度大小；表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的曲率半径大小；

表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的曲率半径大小；

表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的应变值；

表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的应变值。对于任意i时刻，改变材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T，应用有限元模型模拟计算载荷挠度

曲率

和应变

与对应的该时刻实际测量载荷

挠度

曲率

和应变共同计算定义的目标函数，得到使目标函数min[Ф(F，l，r，ε)]趋近于无限小时的材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T。采用目标优化算法，对材料参数向量进行全局搜索，能够得到准确的材料参数Q，b，C，γ。

如图1所示，测量模块的软件模块集成在专用的数据采集盒48中并和计算机连接，数据采集盒48与光栅位移传感器41、42、43，激光传感器46、47，角度传感器39相连接，可实现实验过程中的所有的数据的记录和输出。

测量模块的主要包括各传感器、测量工作台、控制微机、控制软件、驱动***和执行机构等组成。其几个主要部分的功能如下：1、激光测头，主要有激光发生器、光路***和图像传感器CCD器件等组成。它完成测量信号的提取任务。激光测头内的激光发生器,实现激光对被测零部件表面的照射，激光测头内的信号接收模块即CCD器件,借助于光路***实现对被测零部件反射回的激光的接收。2、CCD驱动卡，主要由相应的驱动电路、模/数转换电路和数据传输电路等组成。分别实现光电信号的转换、模拟与数字信号转换以及相应控制信号的传输。3、测量工作台,主要有工作平台和数控模块等组成,是数字化测量工作台,在微机控制下,能精确地带动被测物体到达设定的空间位置。4、控制微机与软件模块，控制微机对于非接触测量***而言相当于一个中央控制器。软件模块是控制微机软件***中的一个应用软件模块，通过固有在控制微机中形成平台软件及指令***等来实现测量***的功能,包括完成数字化激光测头运动控制：如测头运动速度和空间位置的控制、采样数据处理、数字化测量平台当前的空间位置、测量数据的处理与存储、测量数据的造型以及被测零部件外形的计算机重建等。

Claims (7)

1.一种金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：包括力学加载模块、固定在力学加载模块底部的具有前后加载支架的板料夹紧可调模块；力学加载模块通过试验机固定悬空并竖直设置，在力学加载模块和板料夹紧可调模块X方向左右两侧对称设置用于板料平整度调整的X方向调节块，各X方向调节块前后端分别固定在Y方向调节块上，并能够由Y方向调节块分别带动在底座上沿Y方向前后水平滑动；Y方向调节块的左右两端分别设置滑动导向槽，各滑动导向槽内侧分别和位于其中的扇形滑动块斜面配合，使得扇形滑动块能够沿滑动导向槽在Y方向前后水平运动且不偏移；U型横梁悬空横跨于X方向调节块上方且夹置在前后加载支架之间；前后加载支架之间沿Y向水平设置上压辊和下压辊，上压辊和下压辊间留有板料的通过间隙；两X方向调节块结构相同，各自均包括由前后支架支撑的至少一对能够沿Z向上下运动调整的夹紧辊，夹紧辊的水平调整上压辊和水平调整下压辊将板料夹置并均能够随板料位移而转动；在U型横梁的下表面安装上光栅位移传感器，相对应的，下光栅位移传感器的底座固定安装在扇形滑动块上表面；在U型横梁底部的左端或右端安装Y向光栅位移传感器；两个激光传感器分别对应安装在上光栅位移传感器和下光栅位移传感器的读数头上；上光栅位移传感器和下光栅位移传感器的读数头均能沿X向水平移动；各传感器均与数据采集盒信号连接。

2.根据权利要求1所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：夹紧辊的水平调整上压辊和水平调整下压辊两端均通过水平调整压辊可转动轴承可转动的固定在水平调整压辊滑块上，水平调整压辊滑块上下端均通过一个套置了压缩弹簧的可调节等高螺钉固定在滑块固定板上；滑块固定板固定在耳轴固定板上，耳轴固定在耳轴固定板上且穿过耳轴固定板之后通过小径滚动轴承旋转架设在各X方向调节块前后支架的支撑孔中。

3.根据权利要求2所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：在耳轴的外端头连接固定耳轴与角度传感器连接杆，耳轴与角度传感器连接杆的外断头连接角度传感器，角度传感器位于各X方向调节块前后支架的支撑孔外侧且与数据采集盒信号连接。

4.根据权利要求3所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：小径滚动轴承通过轴承固定套筒固定在各X方向调节块前后支架的支撑孔中，轴承固定套筒外端由固定法兰固定在前后支架上。

5.根据权利要求4所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：位于同一个X方向调节块的前后支架通过相互平行的上台阶螺钉和下台阶螺钉连接固定，上台阶螺钉和下台阶螺钉均由各自的台阶螺钉锁定。

6.根据权利要求5所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置，其特征在于：上压辊和下压辊均各自通过预紧螺钉固定并根据板料夹紧可调节螺钉进行Z向加紧调整；X方向调节块前后支架底部均各自通过X方向预紧螺钉固定在各自的Y方向调节块上；各Y方向调节块通过Y方向预紧螺钉、Y方向预紧螺栓固定在Y方向调节块支撑垫板上，Y方向调节块支撑垫板下方依次与底座垫板、底座连接板连接在一起，底座连接板连接弯曲试验机连接部分。

7.采用上述权利要求之一所述的金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置进行的包申格效应检测方法，其特征在于：通过实时的数据检测获取反复弯曲金属板得到的载荷、位移和金属板表面坐标数据，利用目标函数优化算法得到精确的金属板包申格效应材料参数；具体步骤为：

金属板料反复弯曲包申格效应精密检测装置根据被测金属板料的长度、宽度和厚度灵活调节支撑和夹持部位；

在金属板反复弯曲过程中，测量任意时刻金属板料上下表面任意点位置各自的x，y，z坐标值，和此时角度传感器的测量角度β；计算板料上下表面任意点的曲率值r=tgθ；其中r为板料任意弯曲时的对应坐标点的曲率，θ为板料拟合后的任意点的弯曲角度；

在金属板料上施加载荷F，通过板料弯曲过程中的优化目标函数测定金属包申格效应的4个材料常数，4个材料常数分别为：各向同性硬化材料组成第一材料常数Q，单位MPa；各向同性硬化材料组成第二材料常数b；运动硬化材料组成第一材料常数C，单位GPa；运动硬化材料组成第二材料常数γ；所述板料弯曲过程中的优化目标函数为：

$\min \left[\mathrm{\Φ}(F,l,r,\mathrm{\ϵ})\right]=$

$\frac{1}{2}{[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i^s\left(p\right)-F_i^e)}^2+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(l_i^s\left(p\right)-l_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\β}}_i^s\left(p\right)-{\mathrm{\β}}_i^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_j^s\left(p\right)-r_j^e)}^2+\underset{j=1}{\overset{m\×n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_j^s\left(p\right)-{\mathrm{\ϵ}}_j^e)}^2]}^{\frac{1}{2}}$

其中，F表示在i时刻的试验中加载的力，l为在i时刻的试验中板料上点的弯曲挠度，r为在i时刻的某点的曲率大小，ε为在i时刻的测量的某点的应变值，m为试验中记录的总的时间点数，向量p包含有4个材料参数，定义为p={Q，b，C，γ}^T；

对于板料在每个给定时刻i，记录板料上下表面的n个挠度；

表示在i时刻的板料有限元模拟的载荷大小；

表示在时刻的板料实际测量的载荷的大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的挠度大小；

表示在i时刻的板料实际测量的的挠度大小；

表示在i时刻的板料有限元模拟的耳轴位置弯曲角度大小；

表示在i时刻的板料在角度传感器下实际测量的耳轴位置弯曲角度大小；

表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的曲率半径大小；表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的曲率半径大小；

表示在i时刻的板料上j点处的有限元模拟的应变值；

表示在i时刻的板料上j点处的实际测量的应变值；

对于任意i时刻，改变材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T，应用有限元模型

模拟计算载荷

挠度

曲率

和应变

与对应的该时刻实际测量载荷挠度

曲率

和应变

共同计算定义的板料弯曲过程中的优化目标函数，得到使目标函数min[Ф(F，l，r，ε)]趋近于无限小时的材料参数向量p={Q，b，C，γ}^T；采用目标优化算法，对材料参数向量进行全局搜索，采用假设和迭代算法实现目标函数的最小化，确定包申格效应的材料参数参数Q，b，C，γ。

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