本发明涉及金属薄板冲压成形加工领域，特别涉及非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，主要用于预测判断金属薄板成形中局部复杂特征部位的破裂，精确评价车间零件模型的成形工艺性能。
背景技术：
冲压工艺由于生产效率高、精度高、质量稳定和成本低而广泛应用于制造领域。冲压材料一般为厚度2mm以下的金属薄板，在模具中经过拉深、弯曲和胀形几种变形或是几种组合变形后，获得所需形状和性能的零件。同时在航空航天及汽车制造业轻量化进程中，各种高强度钢板和铝合金在车身成形制造中大量使用。这些材料区别与普通成形材料的复杂应力应变关系，成形能力也因高强度而变差，因此迫切需要更精确的成形预测方法。
成形极限图作为一种预测成形过程的一种有效评价标准，利用成形极限曲线，可以快速评价板料在不同应变路径下发生破裂或缩颈的可能性，因此广泛应用于汽车、航空、航天等薄板成形性的评价。而传统成形极限图是基于线性加载或近似线性应变路径条件下得到的，且只有加载，没有卸载和反向加载的情况，这些载荷条件与实际工况中的情况差别较大，难以预测破裂位置。
在实际冲压工艺中，零件局部复杂特征部位，这些复杂位置的应变路径多表现为非线性应变路径，然而传统成形极限图是基于线性应变路径建立的，用于评价非线性应变路径下的材料破裂显然会出现较大误差。汽车零件及模具设计中有限元分析方法作为板料成形设计制造的不可替代工具，有限元分析软件在金属板料成形实际生产应用过程中，具有预测板料成形性能改善工艺参数的重要作用。有限元计算过程繁复输出数据量大，数据处理难以直观判断非线性应变路径历史的部位，并且缺少非线性加载条件下构建的成形极限图与有限元仿真数据的结合实际应用方法。
技术实现要素：
本发明是实现一种非线性应变路径下的成形极限曲线的应用方法，包含非线性成形极限曲线的构建和数据分类精准寻找到非线性区域破裂位置两个部分。
本发明的提供的技术方案是一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，具体包括以下步骤：
步骤1、试验获取非线性应变路径下的两条非线性成形极限曲线和线性应变路径下的成形极限曲线；
步骤2、对被评价冲压零件有限元仿真模拟；
步骤2.1、对零件的冲压模具及板料模型划分网格，选取合适的材料模型并添加工艺参数，完成对零件冲压仿真的建模，模型中包含凸模，压边圈，凹模和板料；摩擦条件和时间步长均为默认，调整模具冲压方向进行仿真实验；
步骤2.2、依托有限元dynaform仿真软件和确定的材料构建立对应的仿真模型，仿真冲压板料为薄壳单元；
步骤3、通过分类程序对应变数据自动处理分类显示，并输出的分类数据表具有不同类型路径的单元序号和应变数据，对应于实验复杂路径加载条件下非线性成形极限曲线，得出零件破裂位置单元序号；
步骤4、用步骤1中输出的非线性成形极限图nfld(non-linearforminglimitdiagram)中两条非线性成形曲线nflcs(non-linearforminglimitcurves)和一条线性成形极限曲线flc(forminglimitcurves)与分类程序得出的数据图对应预测零件成形性能，预测破裂位置。
进一步地，步骤1中包括：
步骤1.1、确定设计试样形状尺寸，安装双凸模结构的成形极限测试模具，实现双重叠加的非线性应变路径；
步骤1.2、通过改变试样形状和凸模行程，丰富非线性应变路径的组合；
步骤1.3、利用数字图像相关技术记录并分析试样变形过程及其表面的全场应变。
进一步地，步骤3中分类程序能够将零件冲压仿真后其表面所有网格的应变路径准确分类为：单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸及线性应变路径。
进一步地，步骤4中包括：
步骤4.1、将应变路径分类图与三条成形极限曲线一一对应预测是否有超过极限应变的破裂位置。
步骤4.2、在程序输出数据中找到破裂位置的单元序号，找到对应仿真模型的具体位置。
本发明的突出效果在于：
(1)本发明所提供的按照应变路径不同，分类评价零件破裂的方法，提升复杂零件冲压过程中破裂缺陷的预测精度。
(2)本发明所提供的应变路径分类方法，可准确将零件冲压仿真后其表面所有网格的应变路径准确分类为：单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸及线性应变路径，是后续零件破裂的分类评价的基础。
(3)本发明通过设计具有非线性特征单元的t形件，以实施例说明nfld的具体应用方法步骤，说明了已构建的nfld预测复杂成形路径部位可行。
(4)通过以上应用方法步骤，可以对轻质材料的零件冲压缺陷部位进行评价。基于应变路径分类评价的应用方法对于复杂零件的冲压成形预测来说更为合理。
附图说明
图1所示为实验试样形状示意图；
图2所示为非线性路径加载装置示意图；
图3所示为已构建的非线性成形极限图；
图4所示为特征件数学模型图；
图5所示特征件有限元仿真网格划分模型图；
图6所示为算法结构流程图；
图7所示为数据分类界面显示；
图8所示为仿真数据路径分类后的图；
图9所示数据处理各模块联系示意图；
图10所示t形特征件的应变路径分类及成形极限评价示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-10，对本发明实施例中的应用技术方法进行进一步说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护范围。
如图1所示，本实施例中构建复杂应变路径实验所需试样形状，需要多种宽度的试样使第一步应变路径具有不同应变程度，第二步改变凸模相对板料轧制方向不同角度使应变路径斜率不同，试样设置弧形缺口保证破裂点在dic应变数据图像获取范围内。图1中，(a)是单向拉伸-双向拉伸实验试样形状，(b)是双向拉伸-双向拉伸实验试样形状。
图2所示，本实施例所提供的测量复杂应变路径下薄板成形极限的试验装置包括：模柄1，上模座螺栓2，上模座3，照相机4，导套5，上连接座6，连接板固定螺栓7，上连接板8，凸模固定螺栓9，上凸模10，导柱11，压边圈固定螺栓12，压边圈13，凹模14，支撑板15，凹模固定螺栓16，下模座17，下模座连接螺栓18，下模座19，下凸模20，卡销21，下凸模支撑杆22，分度盘23，下凸模固定块24，下凸模定位座25，光源26，光源支架27，悬挂弹簧28。
具体的，模柄1通过螺纹与上模座3连接；上模座3和上连接座6之间通过螺栓2连接；光源26和照相机4和设备固定支架固定在上模座3上；光源支架27用于固定光源26。上连接座6为中空结构并且具有足够高度；上凸模10为带法兰的中空结构锥形凸模，下部圆角过渡，通过凸模连接螺栓9和上连接座6连接；上连接座6和上连接板8通过连接板固定螺栓7固定。
上模座3通过导套5和导柱11进行定位导向；导柱11通过过盈配合固定于下模座19上；试样位于压边圈13和凹模14之间，压边圈13通过悬挂弹簧28连接至上模座3，通过压缩弹簧向压边圈13施加的向下的压边力将试样固定于凹模14上；压边圈13和凹模14通过压边圈螺栓12固定于凹模14上，凹模14通过凹模固定螺栓16固定于支撑座17上；支撑板15用于支撑凹模14。
下凸模20和下凸模支撑杆22通过卡销21连接，固定在下凸模固定块24上，下凸模固定块24与下凸模定位座25通过螺钉连接，下凸模定位座25在下模座上由下面液压力驱动；下凸模20可以通过在支撑座17滑槽上分度盘23进行旋转，使下凸模椭球长轴相对于试样轧制方向的不同角度定位调整；下凸模20上部为椭球形曲面；下凸模定位座25下表面开有向内的沉台，并与下凸模支撑杆22刚性连接。下模座17通过下模座连接螺栓18与下模座19固定。
本装置安装于双动液压机上，有两个动力源。
为了获取非线性应变路径，本试验采取两步胀形法来进行。
试样放置于凹模14表面后，模柄1通过液压机的液压缸的推动，压边圈13通过悬挂弹簧28连接至上模座3，上模座3、上连接板8和上凸模10之间通过螺栓连接，模柄1向下运动带动悬挂弹簧28和上凸模10一起向下运动，驱动压边圈13配合凹模14冲制出拉延筋，随后夹紧板料，上凸模10继续向下运动与试样接触，试样发生一定程度的塑性变形，当上凸模10运动了一定的行程后保持不动，这个阶段为初步胀形。
然后双动液压机液下端液压缸输出一个推动力，推动与之相连的推杆20向上运动，并带动下凸模20向上运动，下凸模20开始与试样接触并直至试样表面开始发生颈缩或破裂时为止，这个阶段为二次胀形。
在试样发生塑性变形的整个过程中，都由处于上连接座6空腔中的照相机拍照记录试样表面的变形情况，后提交给计算机处理获取试样表面在实验过程中与时间相关的全场应变。
为了获取非线性应变路径，本试验采取两步胀形法来进行。
试样放置于凹模14表面后，模柄1通过液压机的液压缸的推动，压边圈13通过悬挂弹簧28连接至上模座3，模柄1向下运动带动悬挂弹簧28和上凸模10一起向下运动，驱动压边圈13配合凹模14冲制出拉延筋，随后夹紧板料，双动液压机液下端液压缸输出一个推动力，推动与之相连的推杆20向上运动，并带动下凸模20向上运动，下凸模20开始与试样接触并直至试样表面开始发生颈缩或破裂时为止，在试样发生塑性变形的整个过程中，都由处于上连接座6空腔中的照相机拍照记录试样表面的变形情况，后提交给计算机处理获取试样表面在实验过程中与时间相关的全场应变。
如图3所示，在图1不同试样形状多组宽度试样条件下，分别做下凸模椭球长轴与试样轧制方向0°，45°，90°的成形极限实验，如图3中，(a)是单向拉伸-双向拉伸破裂极限曲线，(b)是双向拉伸-双向拉伸破裂极限曲线。同样，可以根据塑性变形规律改变试样尺寸和形状得到更加多种路径组合。(c)是传统成形极限实验得到的成形极限曲线图。至此通过本复杂路径成形极限装置实验部分完成，建立了单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸两种非线性应变路径下的成形极限曲线。
本实施例中采用的t形特征件是经过设计的，具有汽车结构件的部分成形特征，具有适当的圆角和冲压深度，包含非线性应变路径特征，中心方形区域形状更增加t形端部圆角区非线性影响作用。由于圆角区这些非线性特征区域破裂极限点应变范围较低，用传统线性成形极限图难以预测到破裂位置，但可以用已构建的非线性极限图nfld对特征件实现预测并进行应用。
因此，本发明的另外一个实施例提供了一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过试验获取非线性应变路径下的成形极限图(nfld)；
其中，包括单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸两种非线性应变路径下的成形极限曲线，和线性路径下的成形极限曲线，其中，前两种复杂应变路径可以通过实验获得对应分类程序得到仿真模型的两种非线性路径图，用于精准评价非线性破裂位置。而线性的其它应变路径继续还用传统成形极限曲线来评价。
步骤1.1、确定设计试样形状尺寸，该实施例中，设计如图1所示的试样，安装双凸模结构的成形极限测试模具，该实施例中，设置如图2所示的成形极限测试模具，实现双重叠加的非线性应变路径；
步骤1.2、通过改变试样形状和凸模行程，丰富非线性应变路径的组合；
测试模具的具体实验方案和步骤1.2中的试样设计可以实现单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸两种非线性应变路径下的成形极限曲线，替换凸模冲头可实现线性路径下的的成形极限曲线，因此实验得到三条成形极限曲线nflcs。
步骤1.3、利用数字图像相关(dic)技术记录并分析试样变形过程及其表面的全场应变。
结合优化的iso标准描述的位置相关测量方法，即沿预先确定的横截面对测量的应变分布进行分析，通过去掉缩颈区域的应变点，并对颈缩区域两边剩余的应变分布进行曲线拟合，重构这个范围内缩颈开始前的应变分布。采用抛物线拟合技术来定义极限应变，计算得到不同非线性的应变路径下的成形极限，如图3所示。
步骤2、对被评价冲压零件进行有限元仿真模拟。
步骤2.1、对冲压零件的冲压模具及板坯模型划分网格，选取合适的材料模型并添加工艺参数，完成对冲压零件冲压仿真的建模，模型中包含凸模，压边圈，凹模和板料；摩擦条件和时间步长均为默认，调整模具冲压方向进行仿真实验。
如图4所示，该实例中的应用过程展示的特征件数学模型示意，包含凹模、压边圈、坯料、凸模。成品零件是一个顶部有圆角和方形轮廓的不对称拉深件，外形整体呈t形。
步骤2.2、依托有限元dynaform仿真软件和确定的材料本构建立对应的仿真模型，仿真冲压板料为薄壳单元，网格数量适当；
如图5所示，得到板料上所有单元应变路径历史，依次输出分别含有主次应变数据的两个csv格式数据表。图5所示的特征件有限元划分网格示意，网格均匀四方形板料网格，且为壳单元，对此添加材料模型、工具工序和时间步长设置进行有限元计算。
步骤3、通过分类程序对应变数据自动处理分类显示，并输出的分类数据表具有不同类型路径的单元序号和应变数据。对应于实验复杂路径加载条件下非线性成形极限曲线，得出零件破裂位置单元序号。
如图6所示，该实施例还提供了仿真数据的应变路径分类的程序算法结构，该程序算法结构可准确将零件冲压仿真后表面所有网格单元的应变路径准确分类为：单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸两种非线性应变路径，以及线性应变路径，是后续零件破裂的分类评价的基础。
应变数据处理是通过算法循环结构将仿真应变数据分类为单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸两种非线性应变路径，以及线性应变路径，并对图像输出和程序控制进行界面化显示。如图7所示。首先matlab环境下运行gui，按要求在界面上输入文件名和可调变量，然后可对零件上所有单元应变路径数据分为单向拉伸-双向拉伸，双向拉伸-双向拉伸和其它应变路径。最后在界面显示原始应变路径图和三个分类完毕的应变路径图，输出分类数据表。
该步骤中，最主要的仿真数据处理的算法结构流程，包括：
(1)对仿真输出数据进行数据预处理，将主次应变数据作为整个矩阵单元，次应变为x轴，主应变为y轴，以矩阵行列序号为循环变量进行数据提取。
(2)由于仿真模型中很多单元处于未变形区，所以去除主应变过小的数据，其它数据作为下一循环的数据变量。
(3)采用理想最小二乘法的一次拟合，理论y值为线性条件，与实际的差值为非线性度值，调整非线性度去除部分线性路径的数据，其余作为下一循环的数据变量。
(4)单向拉伸-双向拉伸的数据筛选，主要判断条件为拐点前部分斜率为负值(-2<k<-∞)，后转换为双拉侧为正值(1<k< ∞)，且单拉状态次应变为负值后转为正值
(5)双向拉伸-双向拉伸的判断主要判断条件为初始斜率为正值(1<k< ∞)和次应变数值范围都为正值，并进行二次非线性度的循环筛选出双向拉伸-双向拉伸的非线性应变路径。
(6)对其它数据整合为一个数据库，输出单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸和其它三个数据文件，数据文件表头有相应路径下的单元编号。
具体程序运行操作，具有gui界面显示如图7所示，程序运行需要一定系统环境。界面包含输入框，数据处理控制按钮，输出文件，清除和绘制图表。其中输入框包含四个输入文本框；控制按钮包含对数据预处理、数据处理和路径显示；输出按钮是输出不同分类按单元编号顺序含有主次应变数据信息的csv文件；清除是清除程序运行过程中的所有变量和运算结果。
步骤4、用步骤1中输出的非线性成形极限图，如图8所示，(a)和(b)为nfld中两条nflcs(单拉-双拉和双拉-双拉)，(c)是一条成形极限曲线flc，与分类程序得出的数据图对应预测零件成形性能，预测破裂位置。
步骤4.1将应变路径分类图与非线性成形极限图nfld一一对应预测是否有超过极限应变的破裂位置。
本发明中的分类程序设计可以实现直接把有限元软件输出的主次应变数据读取，并对应变路径按单拉—双拉、双拉—双拉及其它应变路径分类与nflcs的对接。其中数据联系模块主要包含零件有限元仿真应变路径数据提取及路径分类具体方法包含三个模块，其中关系如图9所示。
步骤4.2在程序输出数据中找到破裂位置的单元序号，找到对应仿真模型的具体位置。如图10所示，应用实验已构建的非线性成形极限曲线nflcs来评价仿真数据分类路径的结果图出现破裂单元，进而对模型进行工艺参数调整避免破裂。图10(a)为用单拉-双拉应变路径下的成形极限曲线对该种应变路径的单元进行破裂评价的示意图；图10(b)为用双拉-双拉应变路径下的成形极限曲线对该种应变路径的单元进行破裂评价的示意图；图10(b)为用线性应变路径下的成形极限曲线对上述两种非线性应变路径以外的其余应变路径的单元进行破裂评价的示意图。零件的应用步骤完成，就可以据此改善零件成形的形状或者工艺参数，避免传统成形极限预测不准的情况。
nfld的应用方法主要依托测试装置复杂应变路径实验设计和仿真应变路径数据分类。根据nflcs曲线和非线性路径类别对应，准确直观预测零件成形性能，找出非线性路径特征破裂单元，进而修改数学模型确定实际加工工艺方案。这是传统成形极限图fld难以预测到的非线性应变路径破裂区域，通过本实例的非线性成形极限曲线的应用方法容易得出这些特征区域的不安全，对成形工艺参数优化。
尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。
1.一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过试验获取非线性应变路径下的成形极限图(nfld)；
步骤2、对被评价冲压零件进行有限元仿真模拟；
步骤2.1、对零件的冲压模具及板料模型划分网格，选取合适的材料模型并添加工艺参数，完成对零件冲压仿真的建模，模型中包含凸模，压边圈，凹模和板料；设置摩擦条件和时间步长，调整模具冲压方向进行仿真实验；
步骤2.2、依托有限元dynaform仿真软件和确定的材料建立对应的仿真模型，仿真冲压板料为薄壳单元；
步骤3、通过分类程序对应变数据自动处理分类显示，并输出的分类数据表具有不同类型路径的单元序号和应变数据，对应于实验复杂路径加载条件下非线性成形极限曲线，得出零件破裂位置单元序号；
步骤4、用步骤1中输出的非线性成形极限图(nfld)中两条非线性成形曲线(nflcs)和线性成形极限曲线(flc)与分类程序得出的数据图对应预测零件成形性能，预测破裂位置。
2.根据权利要求1所述的一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，其特征在于：步骤1中包括：
步骤1.1、确定设计试样形状尺寸，安装双凸模结构的成形极限测试模具，实现双重叠加的非线性应变路径；
步骤1.2、通过改变试样形状和凸模行程，丰富非线性应变路径的组合；
步骤1.3、利用数字图像相关技术记录并分析试样变形过程及其表面的全场应变。
3.根据权利要求1所述的一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，其特征在于：
步骤3中分类程序能够将零件冲压仿真后其表面所有网格的应变路径准确分类为：单向拉伸-双向拉伸、双向拉伸-双向拉伸及线性应变路径。
4.根据权利要求1所述的一种非线性应变路径下的成形极限应变图的应用方法，其特征在于：步骤4中包括：
步骤4.1、将应变路径分类图与三条成形极限曲线一一对应预测是否有超过极限应变的破裂位置。
步骤4.2、在程序输出数据中找到破裂位置的单元序号，找到对应仿真模型的具体位置。
技术总结