CN103822874B - 一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法，用于测试材料内部的残余应力分布情况，包括以下步骤：（1）试样制备，（2）应变片粘贴，（3）装夹定位，（4）参数选定，（5）测试实验，（6）突发状况应对机制以及（7）柔度函数计算等步骤。该方法系统、准确地完成基于裂纹柔度法的残余应力测试实验的应变采集，同时可以高效完成柔度函数的计算，最终方便工程人员快捷、高效地获得所测材料的残余应力；该方法通过对测试规程的系统化和规范化，提高了应变采集的精度和效率，且有限元法柔度函数计算速度快、效率高，可广泛应用于工程中板材内部应力的检测。

Description

一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于预拉伸板材内部残余应力的检测方法，属于材料内部应力检测技术领域。

背景技术

高强度变形铝合金因其密度小、强度高、抗应力腐蚀性能好等优点，已成为航空整体结构件的常用材料。在整体结构件的铣削加工过程中，由于毛坯初始残余应力而引起的加工变形，已成为制约我国航空整体结构件制造的关键难题之一。因此，毛坯初始残余应力的精确测量是实现对航空整体结构件变形预测与分析的基础和前提。随着技术的发展，近几年先后提出了逐层钻孔法、剥层法、剥层X射线衍射法、中子衍射法、裂纹柔度法等残余应力测试方法，其中裂纹柔度法与其它方法相比，具有灵敏度高、精度好，操作简单、费用低等优势，特别适用于铝合金预拉伸板材这种应力分布方向性、规律性较强的材料。

裂纹柔度法最早是由M.B.Prime应用到铝合金预拉伸板材的残余应力测试，之后有人利用钻孔法与X射线衍射法验证了裂纹柔度法的敏感性和准确性；有人通过引入权函数对残余应力的测量和计算进行了改进，并用梁弯曲试验验证了其合理性；有人基于应力总不确定度最小，确定了最优插值函数阶数的选取方法。然而，在这些研究中，没有对应变采集精度及柔度函数的计算方式进行探究，它们对计算的精度和效率有着较大的影响。

发明内容

针对裂纹柔度法对材料内部残余应力的检测存在的精度和效率较低的问题，为了提高应变的采集精度，本发明提供一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法，该方法对应变采集精度及柔度函数的计算方式进行探究，提高了残余应力的计算精度和检测效率。

本发明的基于裂纹柔度的材料内部残余应力检测方法，包括以下步骤：

（1）试样制备：

在板材的内部（远离板材边缘的区域）截取试样，试样的长度和宽度尺寸均为板材厚度尺寸的2.3-2.5倍，切割试样时试样的长度和宽度边界至少有一个与板材轧制方向垂直或平行，再截取一块用于应变的补偿试样；

以试样的一个切割面作为第一基准面，与第一基准面相邻的一个切割面作为第二基准面，没有切割过的试样两个表面作为试样的正反面（也就是板材的正反面），清除试样各表面的污物，在试样的相应位置标记出板材的轧制方向、试样的基准面和试样的正反面；

（2）粘贴应变片：

①应变片粘贴位置的选定：基于第一基准面，在试样正面画竖直和水平的两条对称线，称为正面竖直基准线和正面水平基准线，在试样反面画竖直和水平的两条对称线，称为反面竖直基准线和反面水平基准线；在试样的正面画一条与正面竖直基准线平行且间距为5mm的竖直定位线，以该竖直定位线和正面水平基准线的交点为中心，准备贴一片正面应变片，保证正面应变片的竖直定位角对准竖直定位线；以反面竖直基准线和反面水平基准线的交点为中心准备贴一片反面应变片，保证反面应变片的竖直定位角与反面竖直基准线重合；

②应变片检查：应变片使用前应进行外观检查和阻值测量，外观检查就是检查敏感栅有无锈斑和缺陷，基底覆盖层有无破损，基底是否有气泡、皱折和坑点；引线是否牢固；阻值检测就是检查应变片是否有短路或断路情况，其阻值是否在应变采集箱可平衡范围内；

③试样表面处理：打磨试样需贴应变片的位置并用酒精将打磨过的表面擦拭干净；

④粘贴应变片：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，按步骤①给出的应变片的粘贴位置准确粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压1-2分钟，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；

⑤对粘贴的应变片检查：对基底有损坏、敏感栅有变形短路和断路、贴片位置不正确、有气泡、局部没粘上、绝缘强度不符合要求的情况，应排除或铲除重贴；将应变片的两根引线挑起，截取一块接线端子，粘在应变片的后面；

⑥连线：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将试样的数据连接线连到应变采集箱的1-8通道上，补偿试样的连接线接到应变采集箱的补偿通道上；试样和补偿件用一根导电线连接，再将导电线连接到应变采集箱的地线接口上，保证试样与应变采集箱可靠接地；

（3）装夹和定位：

将试样的第一基准面置于线切割机床的工作台上，并装夹在，贴有正面应变片的一侧悬空，并对试样的反面表面找平，最终保证试样的被加工面与机床的xoz面平行；然后将电极丝移动到工件的反面，并移动到电极丝与该面的反面基准线对齐，此时为机床的x轴清零，然后将电极丝移回至试样正面；同时对y轴清零；

（4）切割参数选定：

切割参数包括进给量和进给次数，将进给次数定在30-40次；最终不需要将工件切断：切割到工件厚度的95%-98%时获得的数据都是有效的，当快切割到试样反面的时候，在机床不通电的情况下，托起悬空的试样，托起的力等于试样的重量，如果读数有明显的波动则立刻停止切割；如果出现读数无法稳定的情况，停止切割；最大切割到试样厚度的98%；

（5）测试实验：

每次进给结束后，保持电极丝在最终的位置持续工作10-15秒，然后停止切割并将电极丝断电，待应变数据稳定在1-2με内变化时，记录数据并继续切割；

（6）突发情况处理方法：

①断丝：如果断丝应立刻停机，并记录此时的应变数值，并将电极丝移出试样，重新穿丝，然后在给电极丝定位时将电极丝移到裂缝的尖端，待应变数据稳定后记录此时的数据；如果因为材料属性问题裂缝发生闭合，无法将电极丝移至裂缝尖端，则在裂缝内进行穿丝；如果无法实现穿丝，从试样表面重新切入；

②裂缝闭合：裂缝发生闭合，则从头再切进去；

③裂纹扩展：当切割到残余拉应力区时，裂纹发生自发地扩展，此时测试停止，当然这种情况极少发生；

（7）测试后的相关尺寸测量，需要采集如下参数：

①裂纹的宽度，在裂缝的末端量取；

②切口到应变片中心的距离；

③试样的厚度；

④裂纹的长度；

⑤将试样反过来重复1-4步，然后取数值的平均值；

（8）柔度函数的计算：

采用有限元软件来进行柔度函数的计算，首先对试样建模，并将插值函数作为初始应力载荷沿厚度方向施加到模型上，通过模拟裂纹的产生，同时输出所需点的位移值来得到柔度函数值；步骤如下：

①建模与网格划分：根据试样的对称性，以线切割的裂纹为对称轴，对半个试样建模和网格划分，采用八节点平面应变单元，试样左侧网格间距为裂纹宽度的一半，其余网格从左往右过渡到网格间距2mm，并输入材料的弹性模量和泊松比；

②载荷与边界条件：约束试样左侧x方向及左下侧端点的x、z方向的位移自由度；并利用LoadCase功能将2-14阶勒让德多项式分别作为初始应力载荷沿板的厚度方向加载；

③裂纹模拟及数据输出：通过使裂纹处单元依次失效来模拟裂纹的产生，最终输出应变片所在位置处节点的位移值。

本发明可以系统、准确地完成基于裂纹柔度法的残余应力测试实验的应变采集，同时可以高效完成柔度函数的计算，最终方便工程人员快捷、高效地获得所测材料的残余应力。

附图说明

图1为测试实验示意图。

图2为应变片粘贴位置示意图。

图3为尺寸采集示意图。

图4为柔度函数计算建模流程图。

图5为有限元网格划分示意图。

图中：1、第一基准面，2、反面应变片，3、第二基准面，4、工作台，5、反面竖直基准线，6、反面水平基准线，7、正面竖直基准线，8、竖直定位线，9、正面水平基准线，10、正面应变片，11、第一数据采集点，12、第二数据采集点。

具体实施方式

本发明的基于裂纹柔度的材料内部残余应力检测方法，包括以下具体步骤：

1.试样要求及制备

在板材的内部（远离板材边缘的区域）截取试样，试样的长度和宽度尺寸均为板材厚度尺寸的2.3-2.5倍，切割试样时试样的长度和宽度边界与板材轧制方向垂直或平行，应确保长度和宽度边界至少有一个与板材轧制方向垂直或平行，再截取一块小试样用于应变的补偿试样；

以试样的一个切割面作为第一基准面，与第一基准面相邻的一个切割面作为第二基准面，没有切割过的试样两个表面作为试样的正反面（也就是板材的正反面），清除试样各表面的污物，在试样的相应位置标记出板材的轧制方向、试样的基准面和试样的正反面。

2.粘贴应变片：

（1）应变片粘贴位置的选定：基于第一基准面1，在试样正面画竖直和水平的两条对称线，称为正面竖直基准线7和正面水平基准线9。在试样反面画竖直和水平的两条对称线，称为反面竖直基准线5和反面水平基准线6。在试样的正面画一条与正面竖直基准线7平行且间距为5mm的竖直定位线8，并基于该竖直定位线8和正面水平基准线9（以该竖直定位线和正面水平基准线的交点为中心），准备在试样正面贴一片正面应变片10，保证应变片10的竖直定位角对准竖直定位线8。准备在反面竖直基准线5和反面水平基准线6的交点处（以反面竖直基准线和反面水平基准线的交点为中心）贴一片反面应变片2，保证反面应变片2的竖直定位角与反面竖直基准线5重合。

（2）应变片检查：应变片使用前应进行外观检查和阻值测量，外观检查就是检查敏感栅有无锈斑和缺陷，基底和覆盖层有无破损，基底是否有气泡、皱折和坑点；引线是否牢固；阻值检测就是检查应变片是否有短路或断路情况，其阻值是否在应变采集箱可平衡范围内；

（3）试样表面处理：打磨试样需贴应变片的位置并用酒精将打磨过的表面擦拭干净；

（4）粘贴应变片：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，将应变片的定位角对准试样上画出的应变片的粘贴定位线，按步骤①给出的应变片的粘贴位置准确粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压1-2分钟，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；

（5）对粘贴的应变片检查：对基底有损坏、敏感栅有变形短路和断路、贴片位置不正确、有气泡、局部没粘上、绝缘强度不够的情况，应排除或铲除重贴；将应变片的两根引线挑起，截取一块接线端子，粘在应变片的后面（接线端子是一个塑料片，上面有四个焊点，用于连接应变片的铜丝与数据线缆）；

（6）连线：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将试样的数据连接线连到应变采集箱的1-8通道上，补偿试样的连接线接到应变采集箱的补偿通道上；试样和补偿件用一根导电线连接，再将导电线连接到应变采集箱的地线接口上，保证试样与应变采集箱可靠接地；

3.装夹和定位：

将试样的第一基准面置于线切割机床的工作台上，并装夹在，贴有正面应变片的一侧悬空，并对试样的反面表面找平，最终保证试样的被加工面与机床的xoz面平行；然后将电极丝移动到工件的反面，并移动到电极丝与该面的反面基准线5对齐，此时为机床的x轴清零，然后将电极丝移回至试样正面；同时对y轴清零；

对于y轴的清零，要根据机床本身的功能，普通机床的话，启动机床将电极丝移到x=0的位置，然后靠近工件，直到看到切割工件的电火花。如果机床有相应的功能，实现在不切割试样的情况下使电极丝与试样接触，为y轴清零。

4.切割参数选定

切割参数包括进给量和进给次数，对于全厚度切割测试，将进给次数定在30-40次即可。

最终不需要将试样切断：一般切割到试样厚度的95%-98%时获得的数据都是有效的，当快切割到试样反面的时候，在机床不通电的情况下，用手去托起悬空的试样，托起的力等于试样的重量，如果读数有明显的波动则立刻停止切割；如果出现读数无法稳定的情况，停止切割；最大切割到试样厚度的98%。

5.测试实验

每次进给结束后，保持电极丝在最终的位置持续工作10-15秒，然后停止切割并将电极丝断电，待应变数据稳定在1-2με内变化时，记录数据并继续切割。

6.突发情况处理方法

（1）断丝：EDM机床的电极丝，尤其是使用细丝时，偶尔会发生断丝的情况。如果断丝应立刻停机，并记录此时的应变数值，并将电极丝移出试样，重新穿丝，然后在给电极丝定位时将电极丝移到裂缝的尖端，待应变数据稳定后记录此时的数据。如果因为材料属性问题裂缝发生闭合，无法将电极丝移至裂缝尖端，则在裂缝内进行穿丝。如果无法实现穿丝，从试样表面重新切入。

（2）裂缝闭合：若试样材料弹性模量较小，且存在较高的残余压应力层，裂缝可能发生闭合，解决措施是从头再切进去。

（3）裂纹扩展：当切割到残余拉应力区时，裂纹可能发生自发地扩展，此时测试停止，当然这种情况极少发生。

7.测试后的相关尺寸测量

测试结束后需从试样上采集相关尺寸数据用于有限元建模，采用手持式显微镜或其它显微设备。需要采集的参数如图3所示。

1）裂纹的宽度，在裂缝的末端量取；

2）板材正面切口到正面应变片中心的距离；

3）试样的厚度，用千分尺测量切割区域的厚度；

4）通过测量裂纹底端到板材反面的距离来确定裂纹的长度；

5）将试样反过来重复1-4步，然后取数值的平均值。

8.柔度函数的计算

为高效解决柔度函数的计算，在ABAQUS有限元软件通过规范化的建模完成仿真计算和数据提取，如图4所示流程图对该建模过程进行详细描述：

1）以60mm厚Al7050-T7451板材的测试实验为例，通过测试试验后采集到的各尺寸参数，根据试样的对称性，以线切割的裂纹为对称轴，对板材的一半建立二维草图，如图5所示。

2）将Al7050-T7451的材料属性施加到模型上，包括设置其弹性模量为71.7GPa和泊松比为0.33。

3）为了方便网格划分和各“集”、各单元的选定，将建好的二维模型进行剖分，将最左侧的模拟裂纹区域划分为一块，与其相邻的一块按照比裂纹区域稍大的尺寸剖分为一块，将正面应变片所贴区域所对应位置剖分为一块。

4）为剖分好的各区域施加种子，其中最左侧区域的两个长边设置种子的大小（size）为进给量的1/4，短边设置种子个数为1，其他区域从左往右种子的大小依次变大，最右侧为2。然后在设置网格属性时，将最左侧两个区域和中间正面应变片对应区域的网格属性定义为“结构”和“四边形为主”，它们之间的过渡区域和最右侧区域定义为“自由”和“四边形为主”，然后完成网格划分。

5）为了模拟裂缝的产生，将最左侧的单元从上到下每4个定义为一个“集”，并统一命名；并将该“集”的右侧边定义为另一个“集”，方便载荷的施加。

6）根据测试实验所进行的次数设置相应数量的分析步，同时在“ModalChange”选项中在相应的分析步中“失效”相应的裂纹单元“集”，以此来模拟裂纹的产生。

7）约束工件左侧x方向及图5中端点11（第一数据采集点）的x、z方向的位移自由度，依此作为边界条件；采用Fortran语言编写用户子程序dload，并利用LoadCase功能将2-14阶勒让德多项式分别作为初始应力载荷沿板的厚度方向在定义的右侧边的“集”上加载。

8）将建立好的边界条件和载荷，按照“LoadCase”的要求进行组合，组合成每个分析步中有13个case。

9）选取Fortran语言编写的dload用户子程序，然后进行作业的提交，进行仿真计算。

10）仿真计算完成后，通过AbaqusViewer来打开结果文件，选择图5中的点12（第二数据采集点），以.rpt文件的格式输出该点x方向的位移变化量。

Claims (1)

1.一种基于裂纹柔度的材料内部残余应力检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)试样制备：

在板材的内部截取试样，试样的长度和宽度尺寸均为板材厚度尺寸的2.3-2.5倍，切割试样时试样的长度和宽度边界至少有一个与板材轧制方向垂直或平行，再截取一块用于应变的补偿试样；

以试样的一个切割面作为第一基准面，与第一基准面相邻的一个切割面作为第二基准面，没有切割过的试样两个表面作为试样的正反面，清除试样各表面的污物，在试样的相应位置标记出板材的轧制方向、试样的基准面和试样的正反面；

(2)粘贴应变片：

①应变片粘贴位置的选定：基于第一基准面，在试样正面画竖直和水平的两条对称线，称为正面竖直基准线和正面水平基准线，在试样反面画竖直和水平的两条对称线，称为反面竖直基准线和反面水平基准线；在试样的正面画一条与正面竖直基准线平行且间距为5mm的竖直定位线，以该竖直定位线和正面水平基准线的交点为中心，准备贴一片正面应变片，保证正面应变片的竖直定位角对准竖直定位线；以反面竖直基准线和反面水平基准线的交点为中心准备贴一片反面应变片，保证反面应变片的竖直定位角与反面竖直基准线重合；

②应变片检查：应变片使用前应进行外观检查和阻值测量，外观检查就是检查敏感栅有无锈斑和缺陷，基底覆盖层有无破损，基底是否有气泡、皱折和坑点；引线是否牢固；阻值检测就是检查应变片是否有短路或断路情况，其阻值是否在应变采集箱可平衡范围内；

③试样表面处理：打磨试样需贴应变片的位置并用酒精将打磨过的表面擦拭干净；

④粘贴应变片：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，按步骤①给出的应变片的粘贴位置准确粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压1-2分钟，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；

⑤对粘贴的应变片检查：对基底有损坏、敏感栅有变形短路和断路、贴片位置不正确、有气泡、局部没粘上、绝缘强度不符合要求的情况，应排除或铲除重贴；将应变片的两根引线挑起，截取一块接线端子，粘在应变片的后面；

⑥连线：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将试样的数据连接线连到应变采集箱的1-8通道上，补偿试样的连接线接到应变采集箱的补偿通道上；试样和补偿件用一根导电线连接，再将导电线连接到应变采集箱的地线接口上，保证试样与应变采集箱可靠接地；

(3)装夹和定位：

将试样的第一基准面置于线切割机床的工作台上，并装夹，贴有正面应变片的一侧悬空，并对试样的反面表面找平，最终保证试样的被加工面与机床的xoz面平行；然后将电极丝移动到工件的反面，并移动到电极丝与该面的反面基准线对齐，此时为机床的x轴清零，然后将电极丝移回至试样正面；同时对y轴清零；

(4)切割参数选定：

切割参数包括进给量和进给次数，将进给次数定在30-40次；最终不需要将工件切断：切割到工件厚度的95％-98％时获得的数据都是有效的，当快切割到试样反面的时候，在机床不通电的情况下，托起悬空的试样，托起的力等于试样的重量，如果读数有明显的波动则立刻停止切割；如果出现读数无法稳定的情况，停止切割；最大切割到试样厚度的98％；

(5)测试实验：

每次进给结束后，保持电极丝在最终的位置持续工作10-15秒，然后停止切割并将电极丝断电，待应变数据稳定在1-2με内变化时，记录数据并继续切割；

(6)突发情况处理方法：

①断丝：如果断丝应立刻停机，并记录此时的应变数值，并将电极丝移出试样，重新穿丝，然后在给电极丝定位时将电极丝移到裂缝的尖端，待应变数据稳定后记录此时的数据；如果因为材料属性问题裂缝发生闭合，无法将电极丝移至裂缝尖端，则在裂缝内进行穿丝；如果无法实现穿丝，从试样表面重新切入；

②裂缝闭合：裂缝发生闭合，则从头再切进去；

③裂纹扩展：当切割到残余拉应力区时，裂纹发生自发地扩展，此时测试停止，当然这种情况极少发生；

(7)测试后的相关尺寸测量，需要采集如下参数：

①裂纹的宽度，在裂缝的末端量取；

②切口到应变片中心的距离；

③试样的厚度；

④裂纹的长度；

⑤将试样反过来重复1-4步，然后取数值的平均值；

(8)柔度函数的计算：

采用有限元软件来进行柔度函数的计算，首先对试样建模，并将插值函数作为初始应力载荷沿厚度方向施加到模型上，通过模拟裂纹的产生，同时输出所需点的位移值来得到柔度函数值；步骤如下：

①建模与网格划分：根据试样的对称性，以线切割的裂纹为对称轴，对半个试样建模和网格划分，采用八节点平面应变单元，试样左侧网格间距为裂纹宽度的一半，其余网格从左往右过渡到网格间距2mm，并输入材料的弹性模量和泊松比；

②载荷与边界条件：约束试样左侧x方向及左下侧端点的x、z方向的位移自由度；并利用LoadCase功能将2-14阶勒让德多项式分别作为初始应力载荷沿板的厚度方向加载；

③裂纹模拟及数据输出：通过使裂纹处单元依次失效来模拟裂纹的产生，最终输出应变片所在位置处节点的位移值。