一種測量板件單向殘余應(yīng)力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種試件的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的測量方法，具體是指利用逐步切割后測 得的釋放位移確定原始?xì)堄鄳?yīng)力分布的試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 殘余應(yīng)力是當(dāng)沒有外力作用時，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。產(chǎn)生殘余應(yīng) 力的情況有多種，常見的有不均勻塑性變形，陡峭的熱梯度以及相變等等。按照作用范圍可 以將殘余應(yīng)力分為宏觀殘余應(yīng)力和微觀殘余應(yīng)力，這里只對宏觀殘余應(yīng)力進行研究。
[0003] 在工程應(yīng)用中，許多意外失效都是由外界因素與內(nèi)部殘余應(yīng)力共同造成，而且殘 余應(yīng)力通常對材料性能和構(gòu)件壽命產(chǎn)生很大影響。因此，準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力十分 重要。測量殘余應(yīng)力的方法通常分為兩種，即衍射方法和力學(xué)方法。
[0004] 衍射方法是測量殘余應(yīng)力的無損方法，例如X射線衍射法和中子衍射法。衍射方法 一般精度較高，且自動化程度高，但同時成本較高，難以廣泛應(yīng)用。此外，它們對試件表面狀 況和微觀結(jié)構(gòu)改變比較敏感。參見文獻(xiàn)[l]Ganguly S，F(xiàn)itzpatrick M E，Edwards L.Use of neutron and synchrotron X-ray diffraction for evaluation of residual stresses in a 2024_T351aluminum alloy variable-polarity plasma-arc weld[J] .Metallurgical and Materials Transactions A,2006,37(2):411-420〇
[0005] 力學(xué)方法大多是破壞性方法，它們通常通過引入一個切槽或者小孔來釋放原來的 殘余應(yīng)力從而造成殘余應(yīng)力的重分布。鉆孔法、裂紋柔度法和云圖法是最常見的破壞性方 法。鉆孔法由于易于操作，設(shè)備較便宜等優(yōu)點在工程中受到廣泛應(yīng)用，但在局部應(yīng)力超過屈 服極限50%的時候就不再適用，而且鉆孔法空間分辨率較為有限。裂紋柔度法具有較高的 空間分辨率并且測量結(jié)構(gòu)的尺寸可以很大或很小，但是位于試件上表面或下表面的應(yīng)變片 會造成在切槽尖端距離其較遠(yuǎn)時應(yīng)變變化較小，從而導(dǎo)致結(jié)果的穩(wěn)定性問題。云圖法較為 直觀而且操作簡便，可以將斷面位移的相反值作為邊界條件施加到有限元模型從而得出原 始?xì)堄鄳?yīng)力分布。因此，斷面位移的測量精度很大程度上決定了云圖法的評估精度。參見文 獻(xiàn)[l]Prime Μ B.Residual stress measurement by successive extension of a slot: the crack compliance method[J].Applied Mechanics Reviews，1999，52(2):75-96，文 南犬[2]ASTM E837_13a:standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gauge method和文南犬[3]Prime MB and Gonzales A R.The contour method: simple 2_D mapping of residual stresses. In: Proceedings of the 6th International Conference on Residual Stresses,Oxford,UK.July 2000,vol.1, pp.617-24

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量板件單向殘余應(yīng) 力的方法，只需要對板件進行分步切割并在每一次切割之后記錄切割區(qū)域釋放位移，通過 有限元輔助下的多次反推計算獲得不同深度下的殘余應(yīng)力分布，最后取其平均值作為測量 結(jié)果，使得精度較現(xiàn)有切割法有所提升。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種測量板件單向殘余應(yīng)力的方 法，該方法步驟為：
[0008] 步驟(1 )、散斑制作:將待測殘余應(yīng)力板件進行打磨，使其表面盡量光滑，然后對其 將要測量的表面部分進行噴漆制作散斑；
[0009] 步驟(2)、拍攝參考圖像:將板件一端固定在試驗機上，在垂直殘余應(yīng)力分布的方 向確定一條切割線，使用CCD相機沿著切割線拍攝圖片作為參考圖像；
[0010] 步驟(3)、分步切割并拍攝目標(biāo)圖像:沿著切割線對板件進行分步切割，并且在每 一次切割后利用CCD相機對切割部分拍攝圖片作為目標(biāo)圖像；
[0011] 步驟(4)、數(shù)字匹配:通過DIC技術(shù)將參考圖像與目標(biāo)圖像進行數(shù)字匹配得出每一 次切割后切割部分的垂直位移場；
[0012] 步驟(5)、計算不同切割深度下的殘余應(yīng)力:通過步驟(4)中測得的每一切割深度 下的釋放位移及有限元輔助計算得到相對應(yīng)每一切割深度下切割部分釋放的應(yīng)力場；
[0013] 步驟(6 )、確定原始?xì)堄鄳?yīng)力:將步驟(5)獲得的多個應(yīng)力場求平均值，最終確定板 件原始?xì)堄鄳?yīng)力分布。
[0014] 其中，所述的步驟(1)中散斑大小應(yīng)適合CCD相機分辨率以及期待的測量精度。
[0015] 其中，所述的步驟(3)中，使用電動切割機沿著切割線對板件進行分步切割。
[0016] 其中，所述的步驟(4)中，為了減少物理切割引起的塑性變形造成的影響，提取距 離切槽邊緣1mm的測量線(5)上的釋放位移u，以此減少物理切割所引起的塑性變形的影響。
[0017] 其中，所述的步驟(5)中，通過每一切割深度測得釋放位移u以及有限元輔助計算 所得的相應(yīng)切割深度下位移系數(shù)標(biāo)定矩陣D，代入公· u反推得出每一切割深度下 相應(yīng)殘余應(yīng)力。
[0018] 其中，所述的步驟(5)中，由于有限元模型與實際切割板件在切槽前端有所差異， 導(dǎo)致計算所得的不同深度殘余應(yīng)力分布中位于切槽最前端的幾點誤差較大，需要將最前面 一點剔除之后再進行第六步的平均計算。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點：
[0020] (1)、本發(fā)明相對于裂紋柔度法，提高了計算結(jié)果的穩(wěn)定性。因為在裂紋柔度法中， 應(yīng)變片位于試件上表面或下表面從而導(dǎo)致了在切槽尖端距離其較遠(yuǎn)時應(yīng)變變化很小，靈敏 度很低。而本發(fā)明直接測量了切割面的位移，不存在穩(wěn)定性問題。
[0021] (2)、相對于云圖法，本發(fā)明在計算結(jié)果的精度上有一定提高。云圖法以一次性切 斷面位移的相反值作為有限元模型的邊界條件，從而得出原始?xì)堄鄳?yīng)力分布。而在本發(fā)明 中，采用分步切割、多次評估不同深度下的殘余應(yīng)力，最終取算數(shù)平均作為結(jié)果的方法，改 善了評估精度。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；
[0023]圖2為試件位移測量示意圖；
[0024]圖3為殘余應(yīng)力場離散示意圖