CN120869801B - 镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法，属于双极板测试技术领域，测试方法包括以下步骤：利用脉冲电流对双极板试样进行加热再对双极板试样进行拉伸，同时采集双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测，基于塑性失稳准则建立基础成形极限曲线并对其进行动态修正，本发明通过多物理场检测实时捕捉界面分层萌生与扩展，能够同步跟踪拉伸过程中颈缩萌生、扩展及界面失效的动态演变，能够更贴近实际工况需求避免焦耳热加剧界面热失配，并且多物理场检测能够弥补通用超声算法灵敏度不足的影响，将失效判据重新定义为镀层‑基材界面脱离的临界状态，进一步减小成形极限曲线预测临界失效点的误差。

Description

镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法

技术领域

本发明属于双极板测试技术领域，具体涉及一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法。

背景技术

在超薄钛合金双极板生产过程中，为了提高双极板的耐腐蚀性和导电性，在冲压成形后需要进行电镀镍镀层工序。由于电镀的深镀能力和均镀能力较差，易出现双极板微细流道结构漏镀的情况，无法保证双极板的服役寿命要求。为有效解决上述问题，多采用将镀层工序提前，利用电镀工艺在超薄钛基材表面镍镀后再进行冲压，避免出现双极板微细流道结构漏镀的情况，使得冲压成形后的双极板可以直接使用。然而，为了实现超薄镀镍钛合金双极板成形-服役一体化制造，还需要对预镀涂层板材进行成形极限测试构建成形极限曲线，利用成形极限曲线评估超薄镀镍钛板成形性能，从而保证超薄镀镍钛合金板材冲压成形后基材与镀层不能产生界面分层的缺陷。

在对预镀涂层板材进行成形极限测试时，一般通过力学性能测试的方式对双极板进行拉伸，再结合金相分析或扫描电镜观察基材与镀层的失效形貌，并基于韧性断裂准则建立成形极限曲线。但是上述通过力学性能测试结合金相分析或扫描电镜观察的测试方法，都是基于观察到基材与镀层产生界面分层的缺陷，不仅存在破坏性、滞后性等局限，而且难以实现动态加载过程中对失效机制的实时捕捉与预警，无法实时关联界面分层失效与临界应变。同时，基于韧性断裂准则建立的成形极限曲线，是以材料拉伸断裂作为失效判据，其核心假设是材料的均匀性与整体性，而双极板的镀层与基材界面的分层失效往往早于基材本身的断裂，一旦镀层与基材的界面发生脱离，即使基材未断裂，双极板的导电性、耐腐蚀性等关键功能已完全丧失，导致双极板无法进行正常使用，使得双极板具有独特的失效机理，造成建立的成形极限曲线无法捕捉界面分层失效的临界点，输出的成形极限预测值虚高，并且基于成形极限曲线获得断裂判据的工艺参数（如电流密度、应变路径）无法有效抑制界面分层扩展，常常为了避免双极板失效一般过度降低成形工艺参数，牺牲生产效率。因此，基于韧性断裂准则建立的成形极限曲线，不适用于评估超薄镀镍钛板的成形性能。

目前，现有技术中多采用超声检测技术识别双极板内部的分层缺陷，该检测技术能够避免对双极板造成破坏等缺陷。但是通过超声检测只能获取双极板内部缺陷的静态表征，无法同步跟踪拉伸过程中颈缩萌生、扩展及界面失效的动态演变，难以量化分层扩展对成形极限（如局部颈缩阈值）的动态影响，并且双极板在电辅助拉伸过程中，电流诱导的焦耳热效应会显著改变材料局部温度场，加速颈缩区域的应变局部化与界面分层，而现有成形极限测试方法多聚焦单一物理场，难以复现实际工况下的失效机理，而预镀层与基材界面结合强度差异显著，通用超声算法灵敏度不足，导致获得的成形极限曲线难以预测临界失效点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法，以便解决现有技术中的不足，本发明能够同步跟踪拉伸过程中颈缩萌生、扩展及界面失效的动态演变，量化分层扩展对成形极限的动态影响，将失效判据重新定义为镀层-基材界面脱离的临界状态，进一步减小成形极限曲线预测临界失效点的误差。

本发明的技术方案是：一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，包括以下步骤：

利用脉冲电流对双极板试样进行加热使其达到预设的温度，再对双极板试样进行拉伸，同时采集双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测；

对采集的温度、位移、负载、表面变形图像以及超声波信号进行处理，以获得温度梯度曲线、载荷-位移曲线、反射波衰减率、应变云图、谐波畸变度、分层面积占比以及超声波信号的能量累积曲线；

利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位；

根据分层萌生区域的反射波衰减率、谐波畸变度以及超声波信号的能量累积曲线，以获得分层萌生区域的裂纹扩展速率；

基于塑性失稳准则建立基础成形极限曲线，利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正，获得成形极限曲线FLC，以利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估。

优选的，反射波衰减率、谐波畸变度以及分层面积占比的获取步骤包括：

通过小波降噪与EMD分解对采集的超声波信号进行预处理，去除噪声并分离出界面反射波信号、透射波信号，进而获得反射波衰减率、谐波畸变度；

对界面反射波信号进行阈值分割，获得分层区域边界；

计算分层区域像素数占总像素数的比例，以获得分层区域面积占双极板试样总面积的比例。

优选的，利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位包括：

将温度梯度曲线与载荷-位移曲线进行对齐，当温度梯度曲线上的突变点与载荷-位移曲线上的突变点重合时，再将温度梯度曲线上的突变点与应变云图上的应变局部化区域进行对比，当应变局部化区域与温度梯度曲线上突变点的位置重合时，则该区域为分层萌生区域。

优选的，建立基于塑性失稳准则的基础成形极限曲线包括：

选择塑性失稳准则：

根据历史试验数据标定塑性失稳准则中的参数；

根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型，获得均匀变形、局部失稳以及临界失效阶段模型，以构成基础成形极限曲线。

优选的，通过双极板试样的界面热膨胀系数差异、结合强度选择塑性失稳准则：

右侧FLD：采用修正最大力准则；

左侧FLD：采用Hill’48屈服准则。

优选的，根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型包括：

均匀变形：基于Swift硬化准则预测扩散颈缩起始点，利用载荷-位移曲线的斜率变化触发初始预警；

局部失稳：当温度与超声波信号的强度同步上升时，切换至M-K模型，引入等效初始缺陷，模拟界面分层导致的应变局部化；

临界失效：结合分岔理论通过超声波信号能量谱突变判定剪切带形成，输出临界断裂应变。

优选的，利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正包括：

将裂纹扩展速率、分层面积占比导入下式：

；

其中，FLC_base为基础成形曲线，FLC_new为修正后的成形极限曲线FLC，k₁为分层面积占比权重系数，k₂为裂纹扩展速率权重系数，A_d为分层面积占比，V_c为裂纹扩展速率，单位为mm/s，V_crit为临界裂纹扩展速率，单位为mm/s。

优选的，利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估包括：

将成形极限曲线FLC叠加至双向拉伸应变场；

通过插值算法生成安全-过渡-危险区域三维热力图，标识临界断裂位置概率：

安全区域：ε1<0.8 FLC_new；

过渡区域：0.8 FLC_new<ε1<FLC_new；

危险区域：ε1>FLC_new；

其中，ε1为最大主应变。

一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统，包括双拉试验机，双极板试样的端部与双拉试验机的夹持端一一对应固定连接，以对双极板试样进行双向拉伸，该测试系统还包括：脉冲电流元件通过导线分别与双极板试样的端部连接，以对双极板试样进行加热，多个热电偶分别固设在双极板试样靠近夹持端的一侧，以采集双极板试样的温度，多个超声检测元件分别固设在双极板试样靠近夹持端的一侧，以对双极板试样进行超声波检测，多个位移传感器分别固设在双极板试样的端部，以采集双向拉伸时的位移，载荷检测元件分别固设在双拉试验机与夹持端连接的加载轴上，以采集对双极板试样双向拉伸时施加的负载，DIC高速相机设置在双极板试样中间的正上方，以采集双极板试样的表面变形图像，根据采集的温度、超声波信号、位移、负载以及表面变形图像，利用测试方法对双极板冲压成形的性能进行评估。

优选的，双极板试样为十字形。

与现有技术相比，本发明提供的一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法，利用脉冲电流对双极板试样进行加热再对其进行双向拉伸，同时采集温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测，进而获得温度梯度曲线、载荷-位移曲线、反射波衰减率、应变云图、谐波畸变度以及分层面积占比等信息，能够对分层萌生区域进行定位以及获得该区域的裂纹扩展速率，通过多物理场检测实时捕捉界面分层萌生与扩展，能够同步跟踪拉伸过程中颈缩萌生、扩展及界面失效的动态演变，量化分层扩展对成形极限的动态影响，实现热-电-力耦合条件下界面失效的动态监测，能够更贴近实际工况需求避免焦耳热加剧界面热失配，并且多物理场检测能够弥补通用超声算法灵敏度不足的影响，再根据塑性失稳准则建立基础成形极限曲线并对其进行动态修正，通过动态捕捉界面分层失效特征建立其与双极板成形极限的定量关系，将经典塑性失稳理论与多物理场动态检测技术融合，将失效判据重新定义为镀层-基材界面脱离的临界状态，能够进一步减小成形极限曲线预测临界失效点的误差。

附图说明

图1是本发明测试系统的示意图；

图2是本发明成形极限预测的流程图。

附图标记说明：

1、夹持端；5、超声检测元件；6、载荷检测元件；8、温度传感系统；9、双极板试样；10、脉冲电流元件；11、超声检测系统；12、上支撑座；13、下支撑座；14、左支撑座；15、右支撑座；16、绝缘垫片；17、热电偶；18、绝缘套筒；19、位移传感器；20、DIC高速相机；21、DIC分析系统。

具体实施方式

本发明提供了一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统及方法，下面结合图1到图2的结构示意图，对本发明进行说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，包括以下步骤：

利用脉冲电流对双极板试样进行加热使其达到预设的温度，再对双极板试样进行拉伸，同时采集双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测；

对采集的温度、位移、负载、表面变形图像以及超声波信号进行处理，以获得温度梯度曲线、载荷-位移曲线、反射波衰减率、应变云图、谐波畸变度、分层面积占比以及超声波信号的能量累积曲线；

利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位；

根据分层萌生区域的反射波衰减率、谐波畸变度以及超声波信号的能量累积曲线，以获得分层萌生区域的裂纹扩展速率；

基于塑性失稳准则建立基础成形极限曲线，利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正，获得成形极限曲线FLC，以利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估。

本实施例中镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，首先利用脉冲电流对双极板试样进行加热，通过检测双极板试样的温度使其达到预设的温度以及电流密度，使得双极板试样的温度满足拉伸要求，再对双极板试样进行双向拉伸，并采集双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测，获得双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及超声波信号，实现热-电-力耦合条件下多物理场界面失效的动态监测，并且多物理场检测能够弥补通用超声算法灵敏度不足的影响，实时捕捉界面分层萌生与扩展，能够同步跟踪拉伸过程中颈缩萌生、扩展及界面失效的动态演变，量化分层扩展对成形极限的动态影响，再对上述信息进行处理获得温度梯度曲线、载荷-位移曲线、反射波衰减率、应变云图、谐波畸变度以及分层面积占比等信息，能够对分层萌生区域进行定位以及获得该区域的裂纹扩展速率，再根据塑性失稳准则建立基础成形极限曲线并对其进行动态修正，通过动态捕捉界面分层失效特征建立其与双极板成形极限的定量关系，将经典塑性失稳理论与多物理场动态检测技术融合，将失效判据重新定义为镀层-基材界面脱离的临界状态，能够进一步减小成形极限曲线预测临界失效点的误差。

上述实施例中的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，是基于脉冲电流场辅助Nakajima成形极限试验测试方法，能够获取电致塑性耦合尺寸效应作用下界面完整性动态损伤演化规律，从而建立基于基材/镀层界面分层失效电辅助冲压成形极限曲线，进而对超薄镀镍钛板冲压成形性能的进行准确评估。

由于传统检测方法具有破坏性、滞后性等缺陷，当观察到界面缺陷时，镀层已经失效了，而根据本实施例中检测办法所获得的成形极限曲线，可以在界面失效前进行预测。

本实施例中的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法具有以下优势：

失效判据精准化：将成形极限评估从“材料断裂”转变为“界面功能丧失”，更贴合预镀涂层板材的实际失效模式；

资源效率提升：避免因过度保守的工艺参数导致生产效率损失，提升产能；

工业应用价值：为新能源汽车双极板、航空航天复合层板等预镀涂层零件的成形工艺优化提供理论支撑。

上述实施例中的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，针对双极板电辅助拉伸场景，利用动态捕捉界面分层失效特征建立其与板材成形极限（如临界断裂应变、局部颈缩阈值）的定量关系，将经典塑性失稳理论与多物理场动态检测技术融合，提出“界面分层损伤-成形极限动态映射”模型，从而获得成形极限曲线FLC，利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估，能够为优化涂层工艺和成形参数提供重要依据。

上述实施例中将分层萌生区域的反射波衰减率、谐波畸变度以及超声波信号的能量累积曲线输入1D-CNN + LSTM模型中，从而输出裂纹扩展速率，单位为mm/s，以实现裂纹扩展速率的预测，同时还能够获得裂纹扩展的方向，利用特征参数的动态变化规律，结合物理模型或数据驱动算法，实现裂纹扩展的定量评估与预警。

例如：基于超声波信号的能量累积曲线，当能量值在1秒内从100 mV²*s升至500mV²*s时，判定裂纹扩展速率V_c=0.1mm/s。

裂纹扩展速率阈值判定：若反射波衰减率超过预设阈值（如≥20 dB/μs），判定分层萌生；若谐波畸变度持续上升（如THD从3%增至8%），表明裂纹加速扩展。

上述实施例中的反射波衰减率能够反映超声波在分层界面处的能量损失，直接关联分层的几何尺寸（如裂纹长度、深度），谐波畸变度（THD）能够表征信号非线性畸变程度，与动态扩展的裂纹尖端应力场变化相关。

作为更进一步的优化方案，本实施例中反射波衰减率、谐波畸变度以及分层面积占比的获取步骤包括：

通过小波降噪与EMD分解对采集的超声波信号进行预处理，去除噪声并分离出界面反射波信号、透射波信号，进而获得反射波衰减率、谐波畸变度；

对界面反射波信号进行阈值分割，获得分层区域边界；

计算分层区域像素数占总像素数的比例，以获得分层区域面积占双极板试样总面积的比例。

本实施例中通过小波降噪与EMD分解对采集的超声波信号进行预处理，能够从复杂声信号中分离出与分层直接相关的物理量（如衰减率、THD），解决动态环境下的信噪比问题。

获得分层面积占比的具体实现形式为：

超声图像分割：对反射波信号进行阈值分割，识别分层区域边界；

像素统计：计算分层区域像素数占总像素数的比例；

实时输出：通过多通道信号采集系统动态更新分层面积占比的数值，即通过超声信号处理算法，实时计算分层区域面积占总检测区域的比例，并且当检测到反射波衰减率超过20 dB/μs时，判定该区域为分层损伤区。

作为更进一步的优化方案，本实施例中利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位包括：

将温度梯度曲线与载荷-位移曲线进行对齐，当温度梯度曲线上的突变点与载荷-位移曲线上的突变点重合时，再将温度梯度曲线上的突变点与应变云图上的应变局部化区域进行对比，当应变局部化区域与温度梯度曲线上突变点的位置重合时，则该区域为分层萌生区域。

在电辅助拉伸过程中，界面分层萌生时会导致局部热力学行为突变，具体表现为：摩擦生热，分层区域因界面错动或微裂纹扩展产生摩擦，导致局部温度升高；应变局部化：分层萌生伴随颈缩区域应变集中，焦耳热效应加剧，形成温度梯度突变；热传导受阻：分层导致材料导热路径中断，热量在分层界面附近积聚，形成温度异常点。

因此，本实施例中利用多物理场检测时空同步：

时间同步：将温度梯度突变点的时间戳与载荷-位移曲线拐点对齐，排除非分层引起的温度波动（如环境干扰）；

空间映射：通过DIC高速相机系统获取实时应变场，若温度突变点与应变局部化区域重合，则确认为分层萌生区域。

其中，应变局部化区域是应变云图中应变大于或等于阈值的区域。

载荷-位移曲线特征的拐点识别：分层萌生时载荷-位移曲线出现斜率下降或波动，提示材料刚度降低，结合该时间点同步分析温度数据。

能量耗散：分层过程伴随能量释放，通过载荷积分计算能量突变点，与温度梯度变化时间匹配。

温度梯度曲线突变点定位：通过热电偶阵列实时监测温度梯度斜率（ST=∆T/∆x），当某区域ST突增（例如从2℃/mm升至8℃/mm）时，标识为潜在分层萌生点。

另外，也可以使用热成像辅助，例如红外热像仪可补充热电偶数据，捕捉温度场的空间非均匀性。

作为更进一步的优化方案，本实施例中建立基于塑性失稳准则的基础成形极限曲线包括：

选择塑性失稳准则：

根据历史试验数据标定塑性失稳准则中的参数；

根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型，获得均匀变形、局部失稳以及临界失效阶段模型，以构成基础成形极限曲线。

作为更进一步的优化方案，本实施例中通过双极板试样的界面热膨胀系数差异、结合强度选择塑性失稳准则：

右侧FLD：采用修正最大力准则；

左侧FLD：采用Hill’48屈服准则。

本实施例中修正最大力准则（Modified Maximum Force Criterion），通过超声信号提取的谐波畸变度量化电流诱导热应力对颈缩阈值的影响，利用Hill’48屈服准则结合温度梯度突变点定位界面分层萌生区域，修正局部应变路径。

在本实施例中通过历史试验数据标定准则参数，如修正最大力准则中的应变路径敏感系数、Hill’48屈服准则中的各向异性系数，从而建立与超声特征（反射波衰减率、分层面积占比）的映射关系。

作为更进一步的优化方案，本实施例中根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型包括：

均匀变形：基于Swift硬化准则预测扩散颈缩起始点，利用载荷-位移曲线的斜率变化（dF/dε=0）触发初始预警；

局部失稳：当温度与超声波信号的强度同步上升时，切换至M-K模型，引入等效初始缺陷（缺陷因子f₀=0.99），模拟界面分层导致的应变局部化；

临界失效：结合分岔理论（Loss of Ellipticity准则）通过超声波信号能量谱突变判定剪切带形成，输出临界断裂应变。

本实施例中根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型，可将分层面积占比 、温度梯度斜率输入随机森林（Random Forest）模型，以输出分层、颈缩以及微裂纹概率，进而实现静态损伤分类。

本实施例中的温度梯度斜率，通过实时采集温度数据输出双极板试样上各个位置的温度分布。例如：可在双极板试样易出现颈缩区域布置间距2 mm的热电偶，当相邻热电偶温差达到5℃时，计算梯度斜率ST=2.5℃/mm，该突变点也为界面分层萌生点。

作为更进一步的优化方案，本实施例中利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正包括：

将裂纹扩展速率、分层面积占比导入下式：

；

其中，FLC_base为基础成形曲线，即未考虑界面分层损伤时的理论曲线，FLC_new为修正后的成形极限曲线FLC，通过引入界面分层损伤参数动态调整，更贴合实际工况，k₁为分层面积占比权重系数，k₂为裂纹扩展速率权重系数，A_d为分层面积占比，V_c为裂纹扩展速率，单位为mm/s，V_crit为临界裂纹扩展速率，表示界面分层达到失效阈值时的裂纹扩展速率，通过试验或历史数据标定，单位为mm/s。

本实施例中对基础成形极限曲线进行动态修正，将裂纹扩展速率V_c、分层面积占比A_d以及载荷曲线二阶导数导入XGBoost模型中，以获得FLC_new安全阈值，从而实现阈值精准回归。

另外，k₁（分层面积占比权重）：通过历史试验数据拟合，例如在不同界面分层程度下对比实测FLD与理论FLD的偏差，利用回归分析确定其数值。k₁能够反映静态损伤（如分层面积）对成形极限的影响，权重较大时表明界面分层面积对FLD的削弱作用更为显著；

k₂（裂纹扩展速率权重）：结合裂纹扩展速率与临界值的比例关系，通过疲劳试验或动态拉伸试验标定。例如监测裂纹扩展对FLD的敏感度，k₂的物理意义为反映动态损伤（如裂纹扩展速率）的影响，权重较高时表明裂纹快速扩展会显著降低临界应变阈值。

本实施例中通过预镀涂层历史试验数据训练损伤权重k1、k2，从而适配界面热-力耦合特性。

作为更进一步的优化方案，本实施例中利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估包括：

将成形极限曲线FLC叠加至双向拉伸应变场（平面）；

通过插值算法生成安全-过渡-危险区域三维热力图，标识临界断裂位置概率：

安全区域：ε1<0.8 FLC_new；

过渡区域：0.8 FLC_new<ε1<FLC_new；

危险区域：ε1>FLC_new；

其中，ε1为最大主应变。

本实施例中能够通过上述三维热力图对工艺参数进行实时反馈：

当检测到危险区域占比超过阈值时，触发分级预警：

一级预警：降低电脉冲强度至预设下限（如电流密度J=50 A/mm²），减缓焦耳热累积；

二级预警：切换应变路径至平面应变模式（β=0），抑制界面分层扩展；

优化后的工艺参数自动存储至数据库，用于后续试验的初始参数设定。

注：触发条件与阈值：

一级预警：

触发标志：当检测到危险区域占比达到阈值的15%时触发；

响应措施：降低脉冲电流的强度至预设安全值（如电流密度从100 A/mm²降至50A/mm²），通过减少焦耳热累积延缓损伤扩展；

干预目标：减缓损伤累积，争取工艺调整时间。

二级预警：

触发标志：若一级预警后，危险区域占比未下降或继续上升至阈值的25%时或检测到动态参数异常（如裂纹扩展速率超过临界值Vcrit、温度梯度突变速率≥10℃/s）时触发；

响应措施：切换应变路径至平面应变模式，抑制应变局部化与界面分层扩展；

干预目标：强制终止高风险状态，避免失效。

本实施例中能够实现工艺参数闭环反馈，根据实时检测的界面损伤阈值，自动调整电流强度、应变路径等参数，提升板材成形性能。

本发明中的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法突破传统FLC的断裂失效假设，提出“界面分层失效-成形极限”关联模型，将失效判据重新定义为镀层-基材界面脱离的临界状态，包括：

1.失效标准重构：

通过多物理场检测（超声反射波衰减率、温度梯度曲线上的突变点）实时捕捉界面分层萌生与扩展；

建立界面分层面积占比（A_d≥15%）与裂纹扩展速率（V_c≥V_crit）的双阈值失效判据。

2.动态FLC修正：

基于界面损伤参数动态修正FLC曲线。

3.专用性优化：

中选择的塑性失稳准则时基于预镀层-基材界面特性（如热膨胀系数差异、结合强度），优化超声检测频率（如20MHz）与机器学习算法特征选择，提升灵敏度。

参照图1所示，图1为本实施例测试系统的示意图，一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统，包括双拉试验机，双极板试样9的端部与双拉试验机的夹持端1一一对应固定连接，以对双极板试样9进行双向拉伸，该测试系统还包括：脉冲电流元件10通过导线分别与双极板试样9的端部连接，以对双极板试样9进行加热，多个热电偶17分别固设在双极板试样9靠近夹持端1的一侧，以采集双极板试样9的温度，多个超声检测元件5分别固设在双极板试样9靠近夹持端1的一侧，以对双极板试样9进行超声波检测，多个位移传感器19分别固设在双极板试样9的端部，以采集双向拉伸时的位移，载荷检测元件6分别固设在双拉试验机与夹持端1连接的加载轴上，以采集对双极板试样9双向拉伸时施加的负载，DIC高速相机20设置在双极板试样9中间的正上方，以采集双极板试样9的表面变形图像，根据采集的温度、超声波信号、位移、负载以及表面变形图像，利用测试方法对双极板冲压成形的性能进行评估。

参照图2所示，图2为本实施例成形极限预测的流程图，本实施例中的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统具体操作过程为：

步骤1、将上支撑座12、下支撑座13、左支撑座14、右支撑座15安装于双拉试验机上；

步骤2、为了防止脉冲电流对双拉试验机等设备造成损害，在夹持端上分别安装绝缘垫片16，再通过基于紧固螺钉与绝缘套筒18，实现各夹持端1与上支撑座12、下支撑座13、左支撑座14、右支撑座15的固定连接；

步骤3、制备双极板试样9，采用数字图像相关散斑应变测量系统进行多能场辅助双拉正交加载实时应变测量；

步骤4、在双极板试样9的预定位置上安装超声检测元件5、位移传感器19与热电偶17，超声检测元件5接入超声检测系统11，位移传感器19、载荷检测元件共同接入载荷-位移信号检测系统，热电偶17接入温度传感系统8；

步骤5、试验开始前利用脉冲电流元件10，通入脉冲电流使双极板试样9达到预设的温度与电流密度；

步骤6、进行电辅助双向拉伸试验，通过双拉试验机上的数控系统控制上支撑座12、下支撑座13、左支撑座14、右支撑座15同时运动，以设定的应变速率进行双向拉伸，模拟实际工况下的电-热-力耦合失效场景；

步骤7、载荷-位移信号检测系统与温度传感系统8中输出载荷-位移曲线以及温度梯度曲线，结合温度梯度曲线上的突变点，定位分层萌生区域；

步骤8、将超声检测系统11中得到的超声波信号通过小波降噪与EMD分解，提取超声波信号中与分层相关的特征参数（如反射波衰减率、谐波畸变度），根据实时检测的声信号来预测界面裂纹扩展；

步骤9、基于历史试验数据训练机器学习模型：随机森林 （Random Forest）、1D-CNN + LSTM以及XGBoost，输入参数包括分层面积占比、裂纹扩展速率、温度梯度曲线斜率等；

步骤10、利用训练好的机器学习模型对分层面积占比、温度梯度曲线斜率、反射波衰减率、谐波畸变度以及载荷曲线二阶导数等，输出静态损伤分类、裂纹扩展速率以及FLCnew 安全阈值，从而获得当前加载条件下的成形极限曲线FLC，叠加至双向拉伸应变场，生成“安全-危险”区域热力图，并标识临界断裂区域；

步骤11、当危险区域占比超过阈值时，自动降低电脉冲强度或切换应变路径，延迟失效并记录优化后的成形极限参数；

步骤12、试验结束后取出四个夹持端1以及拆卸双极板试样9，进行表面观察与微观组织观测。

本实施例中的数字图像相关散斑应变测量系统，在进行实时应变测量时，包括：DIC高速相机20以及DIC分析系统21，DIC高速相机20布置于双极板试样9中间的正上方，帧率≥500 fps，分辨率≥2K，并且需要在双极板试样9的表面喷涂黑白散斑图案（斑点尺寸0.1-0.3 mm）。

具体的，在双极板试样9表面喷涂高对比度散斑图案，采用哑光黑底漆与白色斑点（直径0.2 mm），确保散斑覆盖率＞60%，在双向拉伸测试时DIC高速相机20，以500 fps采集表面变形图像，实时传输至DIC分析系统21。

DIC分析系统21内置数字图像相关算法，实时计算全场应变分布（如Green-Lagrange应变张量），输出应变云图与高风险区域坐标。

本实施例中通过DIC分析系统21实现试样表面应变场的亚像素级解析（精度±0.05%），结合热电偶阵列与超声检测，将界面分层定位误差从传统方法的±1 mm降低至±0.2 mm。

本实施例中位移传感器19可采用激光位移计或引伸计，超声检测元件5采用固体耦合剂实现与双极板试样9的稳定连接，超声检测元件5、载荷检测元件6、位移传感器19以及热电偶17、以1 kHz采样率采集动态数据。

作为更进一步的优化方案，本实施例中双极板试样9为十字形。

本实施例中的双极板试样9为十字形，采用线切割方式之别，能够实现多轴应力状态模拟，十字形试样的四臂结构允许在X/Y轴同步施加双向拉伸载荷，复现实际冲压成形中的复杂应力状态（如双极板冲压时的平面应变与双向拉伸组合加载）；界面分层失效的可控激发：十字形试样中心区域设计为颈缩敏感区，通过几何过渡与脉冲电流的焦耳热效应耦合，人为诱导界面分层萌生于预定区域，便于超声检测元件与热电偶的精准监测，而传统试样（如矩形）的应力分布分散，难以定位界面失效起始点。

具体的，当双极板试样9为十字形时，在双极板试样9的四个延伸段的颈缩敏感区域分别布置多个热电偶17，每个颈缩敏感区域的多个热电偶17沿延伸段的长度方向等间距布置，热电偶17可采用电焊固定在双极板试样9上。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用脉冲电流对双极板试样进行加热使其达到预设的温度，再对双极板试样进行拉伸，同时采集双极板试样拉伸时的温度、位移、负载、表面变形图像以及进行超声波检测；

对采集的温度、位移、负载、表面变形图像以及超声波信号进行处理，以获得温度梯度曲线、载荷-位移曲线、反射波衰减率、应变云图、谐波畸变度、分层面积占比以及超声波信号的能量累积曲线；

利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位；

根据分层萌生区域的反射波衰减率、谐波畸变度以及超声波信号的能量累积曲线，以获得分层萌生区域的裂纹扩展速率；

基于塑性失稳准则建立基础成形极限曲线，利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正，获得成形极限曲线FLC，以利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估；

所述利用温度梯度曲线、载荷-位移曲线与应变云图，对双极板试样上的分层萌生区域进行定位包括：

将温度梯度曲线与载荷-位移曲线进行对齐，当温度梯度曲线上的突变点与载荷-位移曲线上的突变点重合时，再将温度梯度曲线上的突变点与应变云图上的应变局部化区域进行对比，当应变局部化区域与温度梯度曲线上突变点的位置重合时，则该区域为分层萌生区域；

所述建立基于塑性失稳准则的基础成形极限曲线包括：

选择塑性失稳准则：

根据历史试验数据标定塑性失稳准则中的参数；

根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型，获得均匀变形、局部失稳以及临界失效阶段模型，以构成基础成形极限曲线；

所述利用裂纹扩展速率、分层面积占比对基础成形极限曲线进行动态修正包括：

将裂纹扩展速率、分层面积占比导入下式：

其中，FLC_base为基础成形曲线，FLC_new为修正后的成形极限曲线FLC，k₁为分层面积占比权重系数，k₂为裂纹扩展速率权重系数，A_d为分层面积占比，V_c 为裂纹扩展速率，单位为mm/s，V_crit为临界裂纹扩展速率，单位为mm/s。

2.根据权利要求1所述的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，其特征在于，获得反射波衰减率、谐波畸变度以及分层面积占比的步骤包括：

通过小波降噪与EMD分解对采集的超声波信号进行预处理，去除噪声并分离出界面反射波信号、透射波信号，进而获得反射波衰减率、谐波畸变度；

对界面反射波信号进行阈值分割，获得分层区域边界；

计算分层区域像素数占总像素数的比例，以获得分层区域面积占双极板试样总面积的比例。

3.根据权利要求1所述的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，其特征在于，通过双极板试样的界面热膨胀系数差异、结合强度选择塑性失稳准则：

右侧FLD：采用修正最大力准则；

左侧FLD：采用Hill’48屈服准则。

4.根据权利要求1所述的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，其特征在于，所述根据塑性失稳准则分阶段建立FLD预测模型包括：

均匀变形：基于Swift硬化准则预测扩散颈缩起始点，利用载荷-位移曲线的斜率变化触发初始预警；

局部失稳：当温度与超声波信号的强度同步上升时，切换至M-K模型，引入等效初始缺陷，模拟界面分层导致的应变局部化；

临界失效：结合分岔理论通过超声波信号能量谱突变判定剪切带形成，输出临界断裂应变。

5.根据权利要求1所述的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试方法，其特征在于，所述利用成形极限曲线FLC对双极板冲压成形的性能进行评估包括：

将成形极限曲线FLC叠加至双向拉伸应变场；

通过插值算法生成安全-过渡-危险区域三维热力图，标识临界断裂位置概率：

安全区域：ε1<0.8 FLC_new；

过渡区域：0.8 FLC_new<ε1<FLC_new；

危险区域：ε1> FLC_new；

其中，ε1为最大主应变。

6.一种镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统，包括：双拉试验机，双极板试样（9）的端部与所述双拉试验机的夹持端（1）一一对应固定连接，以对双极板试样（9）进行双向拉伸，其特征在于，该测试系统还包括：

脉冲电流元件（10），通过导线分别与所述双极板试样（9）的端部连接，以对双极板试样（9）进行加热；

多个热电偶（17），分别固设在所述双极板试样（9）靠近夹持端（1）的一侧，以采集双极板试样（9）的温度；

多个超声检测元件（5），分别固设在所述双极板试样（9）靠近夹持端（1）的一侧，以对双极板试样（9）进行超声波检测；

多个位移传感器（19），分别固设在所述双极板试样（9）的端部，以采集双向拉伸时的位移；

载荷检测元件（6），分别固设在所述双拉试验机与夹持端（1）连接的加载轴上，以采集对双极板试样（9）双向拉伸时施加的负载；

DIC高速相机（20），设置在所述双极板试样（9）中间的正上方，以采集双极板试样（9）的表面变形图像；

根据采集的温度、超声波信号、位移、负载以及表面变形图像，利用权利要求1-5任一所述的测试方法对双极板冲压成形的性能进行评估。

7.根据权利要求6所述的镀层板材电辅助双轴拉伸成形极限测试系统，其特征在于，所述双极板试样（9）为十字形。