基于试件图像分析的超塑胀形实验测量与力学解析研究

超塑性胀形成形具有典型性，且为二维应力状态，故在超塑性力学理论研究和应用开发中都具有重要地位。目前，在超塑性胀形实验中只能测量胀形件极点处高度，而无法测量胀形的外形轮廓和变形，因此，为了便于研究，只能借助胀形件极点高度与等效应力、等效应变速率间的关系建立超塑性胀形的力学解析，其计算结果必然存在误差。为此，本项目拟采用图像测量方法，利用工业数字摄像机持续采集胀形件数字图像，并通过对胀形件数字图像的分析和处理，测量胀形的几何参数、轮廓曲线和变形。在此基础上通过实验分析建立真实条件下的力学模型，测量超塑性材料的应变速率敏感性指数m和应变硬化指数n等材料参数，确定材料参数的变化规律、几何形状的变化和变薄规律，最终给出材料参数与几何形状的变化和变薄规律间的力学解析解。其研究成果对于进一步深入超塑性理论研究和拓展超塑性应用开发具有重要意义。

超塑性胀形实验在超塑性力学理论研究和应用开发中具有重要作用，一直以来，由于胀形实验中只能测量胀形件极点高度，却无法测量其外形轮廓以及轮廓上各点的变形情况，因此，为了便于研究，超塑性胀形力学分析只能在一定的假设条件下，借助胀形件极点高度与等效应力、等效应变速率间的关系建立力学解析理论，其计算结果必然存在误差。本项目研究采用双目立体视觉系统对超塑性自由胀形实验进行非接触测量，充分利用图像测量信息全面的特征，对胀形件几何参数以及变形进行测量，并以此建立真实条件下的自由胀形解析理论。本项目具体研究内容主要包括：.（1）设计开发适用于超塑性自由胀形测量的双目立体视觉系统，根据双目立体视觉系统模型，结合胀形件几何特点给出系统标定方法；给出了测量过程中如何进行图像处理以提高测量精度和实时性，以及如何消除高温影响等关键问题的解决方案；对实验装置的主机、加载系统和加热系统进行了相应的改造设计。.（2）对实验过程中如何应用双目立体视觉系统测量胀形件几何参数，以及胀形件上各点的变形进行了研究。几何参数测量包括极点高度测量和胀形件轮廓曲面测量，并以此求解轮廓曲面其它参数，极点高度可实时测量，轮廓曲面可按照一定的频率测量。变形测量包括应变、应变速率测量，并根据应变测量结果确定曲面上各点的厚度分布和变化，变形测量在极点处二者可实时测量，其它点则可按照一定的频率测量。.（3）从静力学、几何学和物理学等方面，建立了真实轮廓曲面条件下的力学平衡方程、几何方程和本构关系，以此联立边界条件，可以确定应力、应变分布规律。.（4）给出了应变速率敏感性指数m值的实验测量方法，应用该方法可在实验过程中测得胀形件上各点的m值，以此分析m值随几何形状和厚度分布变化的关系。.（5）建立了真实轮廓外形下的厚度变化模型，给出了实验测量最佳加载应变速率的方法，并通过有限元方法给出了实现最佳应变速率的加载路径。.超塑性胀形为平面应力状态，它是一维变形向三维复杂变形的必然过渡，其理论研究具有一般性和普遍性；在应用上，超塑性胀形是超塑性成形的重要工艺，超塑性胀形以及胀形与其它工艺的联合工艺已显示出极大的优越性，通过研究其成形规律来提高成形速率、降低成形温度、改善壁厚分布等更是进一步扩大其应用的关键。因此，本项目研究成果对于进一步深入超塑性理论研究和拓展超塑性应用开发具有重要意义。