CN102155931A - 基于温度场有限元分析仿真的亚表面损伤检测方法 - Google Patents

基于温度场有限元分析仿真的亚表面损伤检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，其特征在于，当对零件上下表面加恒温热源时，零件基体内的温度场分布曲线会有两个转折点，分别对应于裂纹的上下端。对被测零件上下表面加恒温热源，用高分辨率扫描热探针探测零件上表面稳定后的温度场分布，得到实测温度场变化曲线；建立具有不同深度亚表面损伤裂纹零件的三维模型，对零件模型的温度场分布进行有限元分析仿真，得到仿真温度场变化曲线。通过计算分析实测的和仿真的温度场分布曲线相对误差，根据仿真变化曲线的拐点判定出损伤裂纹的深度。本发明能够在不损伤零件的情况下短周期、低成本检测出零件亚表面损伤裂纹的深度。

Description

基于温度场有限元分析仿真的亚表面损伤检测方法
技术领域
本发明涉及光学超精密加工领域中一种进行零件非破坏性亚表面质量检测的方法，特别涉及一种基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法。
背景技术
光学零件加工成形(如：相机镜头、透镜、望远镜和反射镜)一般会经过研磨、抛光等传统加工工序。然而，在研磨光学玻璃过程中，磨粒可以看成是一个个大小不同、分布不均的压头。根据压痕断裂力学模型，压头对光学材料表面施加一定的压力，所以，在压头与光学材料的相互作用中，压头正下方的光学材料会产生非弹性变形区(塑性变形区)。当压力载荷继续增大，磨粒压头切入光学材料的深度进一步增加，导致材料内部非弹性区不断扩大，并且在亚表面层产生残余应力。当加载产生的应力值超过材料本身极限应力时，光学材料内部逐渐发展产生中央/径向裂纹。现有亚表面损伤研究理论与结果表明，在光学材料加工过程中不断出现的中央裂纹/径向裂纹是形成亚表面损伤层的主要原因。都无法避免在光学亚表面产生不同程度的亚表面损伤，常表现为被掩埋在重沉积层下的裂纹、孔洞等亚表面缺陷。在高精密光学系统应用领域(如：高分辨率空间相机镜头和高功率固体激光装置等)对光学元件中的亚表面损伤层提出了要求，并严格限制光学亚表面损伤层深度。因此，需要对光学元器件加工中产生的亚表面损伤层深度进行探测，并减少亚表面损伤层深度，达到所需光学零件的使用要求。
亚表面损伤层检测方法可以划分为破坏式检测方法和非破坏式检测方法。破坏式检测方法有：(1)HF酸化学腐蚀法是通过HF酸与玻璃组成化合物SiO2发生化学反应，不断扩大和显露出光学材料的亚表面层损伤，然后通过高能显微镜检测的裂纹和缺陷；(2)角度抛光法测量亚表面损伤由于分辨率高、操作简便，美国材料与实验协会已经在1998年将角度抛光法标准化；(3)实验证明球磨技术能用于描述光学玻璃亚表面损伤。其基本方法为：用高精度钢球对零件表面抛光，通过测量暴露的亚表面损伤特征确定亚表面损伤层深度。破坏式检测方法一般具有较高的检测精度，但破坏式方法具有一定的经验性、检测时间过长、并且对零件表面材料进行破坏等一些缺点。发展较为成熟的非破坏式检测方法有：(1)光热显微法机理是：在实验中，调强聚焦光束将热量传递到样品中，通过吸收与随后去激松驰释放的热量可能分布在样品的大部分区域或者局限在不传热实体表面小区域范围内。因此，实验分辨率能够达到检测要求。(2)X射线衍射法是检测材料残余应力常用方法。X射线衍射检测方法机理：当X射线以一定角度照射到材料(硅片)表面会产生衍射现象，根据不同间距衍射条纹位置的不同，通过对比在有无残余应力时的晶格间距的变化值，再结合结晶学理论计算出残余应力大小。光热显微法和X射线衍射法克服了破坏性检测的一些缺点，但存在成本高、精度不高等缺点。因此，有必要研究出新的快捷、准确、成本低的非破坏性检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前所采用破坏性检测方法和非破坏性检测方法的不足，提供一种易于实验装置简单、操作容易、周期短、成本低的检测方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)固定被测光学零件且保证零件四周没有影响热传导的较大障碍物，在零件上表面设置第一加热恒温源T1，下表面设置第二加热恒温源T2，T2＞T1，直至上、下表面加热恒温源T1、T2热传递到达动态平衡。
(2)用高分辨率扫描热探针探测被测光学零件上表面D区域中上方温度场的分布，得出实测温度场分布曲线；
(3)用有限元分析软件建立被测光学零件的三维模型，设置与步骤(1)相同的温度环境，且设定被测光学零件三维模型中D区域存在h的亚表面损伤裂纹深度，模拟计算被测光学零件三维模型温度场的变化，得到仿真的温度场分布曲线；
(4)比较步骤(2)实测温度场分布曲线与步骤(3)模拟仿真的温度场分布曲线得到一个温度场比较曲线，计算两条曲线在横坐标-20mm-0.00mm范围内的相对误差，当相对误差满足误差范围时说明假定的亚表面损伤裂纹深度h合理，由此可判定被测光学零件表面D区域的亚表面损伤裂纹深度为h＝h2-h1，其中h2为亚表面损伤裂纹下端距被测光学零件上表面的距离，h1为亚表面损伤裂纹上端距被测光学零件上表面的距离；
(5)当步骤(4)中计算相对误差大于误差范围，则返回到步骤(3)，重新设置被测光学零件三维模型中D区域的亚表面损伤裂纹深度h’，再按照步骤(4)计算出两条曲线在横坐标-20mm-0.00mm范围内的相对误差，直至相对误差满足误差范围。
上述方案中，所述被测光学零件上、下表面的加热恒温源温差为20-30℃。
所述被测光学零件下表面加热恒温源采用平面加热板，该加热板与被测光学零件下表面保持平行。
本发明的优点是：
1、该方法只需要对零件上下表面保持一定的恒温差，没有对零件表面进行加工，克服了对零件表面材料进行破坏的缺点；
2、在保持零件上下表面恒温差的前提条件下，用高分辨率扫描热探针检测零件上表面温度场的变化，然后再用有限元分析软件进行仿真，此过程不需要很复杂的检测设备，也没有过多的操作程序，比起其他检测亚表面损伤层的方法更易于操作和实现；
3、所需设备操作简单，检测周期短、成本低。
附图说明
图1为实测K9玻璃零件表面D区域上方的温度场分布曲线。
图2为仿真的温度场分布曲线。其中，曲线的两个拐点分别代表亚表面损伤裂纹的上下端，即a点和b点，a点距零件上表面的高度为h1；b点距零件上表面的高度为h2。
图3为图1、图2的温度场比较曲线。
图4、图5为k9玻璃零件的恒温加热方式、检测温度方式及检测温度区域。其中图5为图4的俯视图。
具体实施方式
光学材料研磨过程产生的亚表面损伤层的深度，可以直接影响光学零件的长期稳定性、使用强度和抗激光损伤阈值等。因此非破坏式检测光学零件的亚表面损伤及其重要。下面结合具体实例对本发明作进一步详细说明。
基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，包括下述步骤：
(1)在光学k9玻璃零件的上表面设置加热恒温源T1(10℃)，下表面采用加热板设置加热恒温源T2(30℃)，T2＞T1，上下表面的恒温源温差为20℃，加热一段时间直至热传递到达动态平衡。玻璃零件下表面的恒温加热板要与零件下表面保持平行。(如图4)
(2)用高分辨率热探针G检测光学k9玻璃零件上表面D区域(如图4，5)中上方温度场的分布变化，得出温度场分布曲线(如图1)，即零件D区域表面至上方20mm处之间的温度变化。
(3)用有限元分析软件建立k9玻璃零件的三维模型，设置与步骤(1)相同的温度环境，且设定零件三维模型中D区域存在一定深度h(h2-h1)的亚表面损伤裂纹，分析计算零件三维模型温度场的分布变化，得到仿真的温度场的分布曲线(如图2)。
(4)比较步骤(2)实测温度场分布曲线与步骤(3)有限元模拟仿真的温度场变化曲线得到一个温度场比较曲线(如图3)，计算两条曲线在横坐标(-20mm-0.00mm)范围内的相对误差Δδ，当Δδ满足误差范围(相对误差小于2％)时说明假定的亚表面损伤裂纹深度h合理，由此可判定零件表面D区域的亚表面损伤裂纹深度为(h2-h1)。
其中，相对误差＝(绝对误差/真值的绝对值)×100％，绝对误差/Δh＝∑|测量值h’(i)-真值h(i)|，真值的绝对值H＝∑h(i)；测量值h’(i)为实测曲线(图1)上i＝-1、-2、-3…-20的纵坐标，h(i)为仿真曲线(图2)上i＝-1、-2、-3…-20的纵坐标，i为横坐标。
(5)如果步骤(4)中的计算相对误差大于误差范围，返回到步骤(3)，重新设置零件三维模型中D区域的亚表面损伤裂纹深度h’，且计算出相对于该设定损伤裂纹深度h’的相对误差Δδ’，直至相对误差Δδ’满足误差范围。

Claims (3)

1.一种基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)固定被测光学零件且保证零件四周没有影响热传导的较大障碍物，在零件上表面设置第一加热恒温源T1，下表面设置第二加热恒温源T2，T2＞T1，直至上、下表面加热恒温源T1、T2热传递到达动态平衡。
(2)用高分辨率扫描热探针探测被测光学零件上表面D区域中上方温度场的分布，得出实测温度场分布曲线；
(3)用有限元分析软件建立被测光学零件的三维模型，设置与步骤(1)相同的温度环境，且设定被测光学零件三维模型中D区域存在h的亚表面损伤裂纹深度，模拟计算被测光学零件三维模型温度场的变化，得到仿真的温度场分布曲线；
(4)比较步骤(2)实测温度场分布曲线与步骤(3)模拟仿真的温度场分布曲线得到一个温度场比较曲线，计算两条曲线在横坐标-20mm-0.00mm范围内的相对误差，当相对误差满足误差范围时说明假定的亚表面损伤裂纹深度h合理，由此可判定被测光学零件表面D区域的亚表面损伤裂纹深度为h＝h2-h1，其中h2为亚表面损伤裂纹下端距被测光学零件上表面的距离，h1为亚表面损伤裂纹上端距被测光学零件上表面的距离；
(5)当步骤(4)中计算的相对误差大于误差范围，则返回到步骤(3)，重新设置被测光学零件三维模型中D区域的亚表面损伤裂纹深度h’，再按照步骤(4)计算出两条曲线在横坐标-20mm-0.00mm范围内的相对误差，直至相对误差满足误差范围。
2.如权利要求1所述的基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，其特征在于，所述被测光学零件上、下表面的加热恒温源温差为20-30℃。
3.如权利要求1所述的基于温度场有限元分析仿真的的亚表面损伤检测方法，其特征在于，所述被测光学零件下表面加热恒温源采用平面加热板，该加热板与被测光学零件下表面保持平行。
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