一种不等厚板材的局域差温拉伸测试系统及方法

本发明涉及材料测试，具体而言，涉及一种不等厚板材的局域差温拉伸测试系统及方法。

背景技术：

1、铝合金板材等不等厚板材能够根据不同位置的承载需求进行材料分配，在航空航天、交通运输及大型薄壁结构轻量化设计中具有重要应用价值；与等厚板材相比，不等厚板材沿板面方向具有明显的厚度非均匀性，不同区域的截面积、局部刚度、承载能力和塑性流动能力存在差异，在拉伸或后续复杂成形过程中，厚区由于截面积较大通常具有较高的局部承载能力，而薄区截面积较小更容易优先进入塑性变形状态。

2、相关技术中，常规拉伸试验主要在室温或整体均匀温度条件下进行，拉伸试验装置通常采用高温炉、环境箱、电阻加热、感应加热或者热模拟试验设备建立试样热环境，以gleeble类热模拟试验设备为例，其可以利用电阻加热、热电偶反馈和闭环控制对试样实施精确热循环并能够形成一定温度梯度。

3、然而，以上相关技术，存在无法获取整个有效变形区域连续分布的实际温度场，各区域实际温度难以精确跟踪目标值；拉伸过程中试样几何变形导致温度场漂移，导致厚区和薄区之间的温度差难以在变形全过程中保持稳定，最终影响不等厚板材整体成形极限的准确评价。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是各区域实际温度难以精确跟踪目标值以及厚区和薄区之间的温度差难以在变形全过程中保持稳定，最终影响不等厚板材整体成形极限的准确评价。

2、为解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种不等厚板材的局域差温拉伸测试系统，包括：

3、拉伸试验机，用于对不等厚拉伸试样的第一区和第二区进行拉伸，所述不等厚拉伸试样沿拉伸方向依次设有第一区、过渡区和第二区，所述第一区的厚度大于所述第二区；

4、多区域温度调节组件，包括多个局域温度调节单元，各所述局域温度调节单元分别与所述第一区、所述第二区和所述过渡区对应，并用于按照预设的目标温度场对所述不等厚拉伸试样的各区执行加热或者冷却；其中，所述目标温度场中所述第一区的目标温度高于所述第二区的目标温度；

5、温度测量组件，用于获取所述不等厚拉伸试样的全场温度和多点局部温度；

6、变形测量组件，用于对所述各区进行变形测量；

7、控制组件，用于对所述全场温度和多点局部温度进行融合，得到实际温度场，根据所述实际温度场与所述目标温度场之间的偏差，以及预先确定的各所述局域温度调节单元对所述各区的耦合响应关系，确定所述各区执行加热修正和冷却修正所需的控制修正量，以对所述各区进行热耦合温度补偿；

8、还用于：根据所述变形测量组件对所述各区的局部变形测量结果，当判断所述各区存在变形不协调，在预设安全温度范围内修改所述目标温度场，以实现所述各区的局部材料流动调节。

9、可选地，所述控制组件还用于：

10、获取输入数据，所述输入数据至少包括：所述温度测量组件输出的全场温度和多点局部温度、所述拉伸试验机输出的载荷和位移、所述变形测量组件输出的局部应变和局部应变速率、各所述局域温度调节单元的当前加热功率和当前冷却强度；

11、将所述输入数据输入经预先训练的非线性映射模型，输出下一控制周期内各所述局域温度调节单元的加热修正量或冷却修正量；

12、将输出的所述加热修正量或冷却修正量叠加至所述热耦合温度补偿的控制量上，以对基础闭环控制结果进行在线修正，形成基础闭环控制与数据驱动补偿复合的控制方式。

13、可选地，所述非线性映射模型的训练过程包括：

14、通过标定实验获取训练数据，所述训练数据包括各所述局域温度调节单元的输入、试样各区温度响应和试样变形状态；

15、利用所述训练数据对所述非线性映射模型进行训练。

16、可选地，所述温度测量组件包括多个接触式温度传感器和红外热像仪；

17、各所述接触式温度传感器设置于所述不等厚拉伸试样各区，用于获取所述多点局部温度；所述目标温度场中，从所述第一区、所述过渡区再到所述第二区，各区的目标温度呈连续平滑变化；

18、所述红外热像仪用于获取所述全场温度；

19、所述控制组件用于：对所述接触式温度传感器的测量结果与所述红外热像仪的测温结果进行融合，得到所述实际温度场。

20、可选地，各所述局域温度调节单元包括至少一种热执行装置，所述热执行装置选自电阻加热块、加热棒、加热带、感应加热组件、辐射加热组件、循环水冷组件、冷却块、压缩空气冷却组件或低温气体冷却组件中的一种或多种；至少部分所述局域温度调节单元同时具备加热和冷却双向调节能力。

21、可选地，预先确定各所述局域温度调节单元对所述各区的耦合响应关系包括：

22、在标定阶段，分别改变各所述局域温度调节单元的输入，测量所述第一区、所述过渡区和所述第二区的温度响应，获得各所述局域温度调节单元对所述各区温度的影响规律，建立各所述局域温度调节单元的输入变化量与所述各区温度变化量之间的所述耦合响应关系。

23、可选地，所述控制组件具体用于：

24、确定所述目标温度场与所述实际温度场沿所述不等厚拉伸试样轴向的空间偏差分布；

25、根据所述耦合响应关系，将所述空间偏差分布映射为各所述局域温度调节单元的联合控制修正量；

26、根据所述联合控制修正量分别调节各所述局域温度调节单元的加热功率或冷却强度，以补偿相邻温区之间的热传导影响。

27、可选地，所述控制组件具体用于：

28、获取所述第一区和所述第二区的局部应变数据，根据所述局部应变数据计算得到局部应变速率；

29、根据所述局部应变数据确定最大应变位置及其变化方向；

30、当检测到所述第二区的局部应变速率持续高于所述第一区的局部应变速率，或者所述最大应变位置向所述第二区集中时，判定所述各区存在变形不协调；

31、在预设安全温度范围内提高所述第一区的目标温度，和/或降低所述第二区的目标温度，使所述第一区的流动阻力降低和/或所述第二区的流动阻力提高，进而使后续变形在所述各区之间重新分配。

32、本发明提供的不等厚板材的局域差温拉伸测试系统，通过多区域温度调节组件按照预设的目标温度场对不等厚拉伸试样的不同厚度区域分别进行独立加热或冷却，利用温度差产生的材料流动阻力差异补偿厚度差造成的几何承载能力差异，使厚区和薄区在拉伸过程中实现更协调的塑性变形分配，有效抑制薄区因截面积较小而出现的塑性变形过早集中和局部颈缩，从而提高不等厚铝合金板材的整体成形极限；通过将接触式温度传感器与红外热像仪融合获得连续分布的实际温度场，并利用预先标定的耦合响应关系对各区进行热耦合温度补偿，使控制对象由若干独立温度点提升为整个有效变形区域的空间温度场，保证试样在拉伸过程中实际温度场对目标温度场的跟踪精度；通过变形测量组件实时获取各区域的局部变形数据并据此判断变形协调状态，当检测到变形不协调时在线修改目标温度场以改变各区域的流动应力差异，使后续变形在各区域之间重新分配，也即实现不同厚度区域塑性流动的协调，避免薄区因变形持续集中而过早断裂，同时使厚区承载能力得到充分发挥，从而提高整体成形极限；由此形成温度调控与变形协调控制耦合的闭环调控策略，为不等厚板材在差温条件下的成形性能评价和工艺参数优化提供可靠的实验手段。

33、第二方面，本发明还提供了一种不等厚板材的局域差温拉伸测试方法，应用如上述任一项所述的不等厚板材的局域差温拉伸测试系统，包括：

34、将不等厚拉伸试样安装于拉伸试验机；

35、控制多区域温度调节组件按照目标温度场对所述不等厚拉伸试样的第一区、过渡区和第二区分别进行加热或冷却，其中，所述第一区的目标温度高于所述第二区的目标温度；

36、通过温度测量组件测量多点局部温度和全场温度，并进行融合得到实际温度场；

37、确定控制修正量，通过局域温度调节单元对各区执行加热修正和冷却修正，以对所述各区进行热耦合温度补偿；

38、待所述实际温度场达到稳定条件后，启动所述拉伸试验机对所述不等厚拉伸试样施加单轴拉伸载荷；

39、通过变形测量组件获取所述各区在拉伸过程中的局部变形数据；

40、根据所述局部变形数据判断所述各区是否存在变形不协调，当存在变形不协调，在预设安全温度范围内修改所述目标温度场；

41、根据拉伸过程，输出不等厚拉伸试样在不同目标温度场条件下的局部变形响应参数。

42、可选地，不等厚板材的局域差温拉伸测试方法还包括：

43、提取各区的局部应变、局部应变速率及最大应变位置；

44、利用连续应变场和局部应变速率场跟踪所述各区的变形局部化，记录局部化起始时间、局部化起始位置、局部化带迁移轨迹及最终断裂位置；

45、对于同一厚度比的所述不等厚拉伸试样，改变目标温度场并开展多组试验，记录各组试验下的整体断裂应变、所述第一区与所述第二区的应变分配比、局部应变速率、局部化特征及温度场控制误差，根据记录数据，确定使断裂应变提高且薄区应变集中受抑制的所述目标温度场作为局域温度场；

46、改变所述厚度比并重复测试，建立厚度比-温差-应变分配响应面，并确定局部失稳温度窗口。

47、本发明提供的不等厚板材的局域差温拉伸测试方法，除具有上述局域差温拉伸测试系统的全部有益效果外，还通过改变目标温度场开展多组试验，建立了不同温度场条件与局部变形响应之间的对应关系；进一步通过改变厚度比并重复上述测试，建立厚度分布、目标温度场与局部变形响应之间的对应关系，为差温条件下不等厚板材的成形性能评价提供实验依据。