CN108536970B - 一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法，能够精确地测试应用于航空制造领域的铝合金板材内部残余应力分布，相比现有的裂纹柔度法，可以使有限元模拟的应变与实测的应变完全相同，相对于现有技术具有显著提高测试精度等诸多有益效果。

Description

一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料的应力测试领域，尤其涉及一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试技术。

背景技术

在现代航空制造中，由铝合金材料等的大型毛坯直接加工而成的大型航空薄壁结构件的使用越来越广泛，但由于作为毛坯材料的铝合金预拉伸板内部存在分布不均的残余应力，在加工过程中随着毛坯材料的去除，内部残余应力不断释放并达到新的平衡，容易使工件发生变形。结构件的加工变形会对零件的服役性能以及后续零件装配产生不小的负面影响，而由此造成的返修甚至是零件报废则会导致巨大的经济损失。因此，对铝合金预拉伸板内部残余应力进行精密测试，为预测和抑制结构件加工变形提供支持是很有必要的。目前，常用的厚板内部残余应力的测试方法为裂纹柔度法，该方法通过在板材上加工一条裂纹，测出随着裂纹深度增加时板材某一点的应变，反推残余应力的分布。在数据处理上，裂纹柔度法用插值多项式载荷下的有限元计算应变来拟合实测应变，再用获得的拟合参数拟合应力分布。然而，这种处理方法尚不能实现有限元计算应变与实测应变一一对应，并且需要对插值多项式阶次进行比较选择，存在计算复杂的缺点。

发明内容

针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一、制备铝合金预拉伸板试件；

步骤二、在所述试件上的相应位置布置应变片；

步骤三、装夹所述试件；

步骤四、通过线切割机对所述试件进行切割，在所述线切割机的电极丝每次进给后，记录每组应变片稳定时的应变数据，并进行下一次进给；

步骤五、对所述试件建模模拟切缝的产生过程，采用有限元分析软件ABAQUS计算所述试件的柔度；

步骤六、基于所述步骤五中得到的所述试件的柔度以及所述步骤四中所记录的应变数据，求解得到所述试件的残余应力分布。

进一步地，所述步骤一所述的制备试件具体包括：截取一定长度的预拉伸板作为试件，所述试件的长度方向x与待测应力分量方向平行；以所述试件长度方向x和厚度方向z形成的一个面为第一基准面；以所述试件宽度方向y和厚度方向z形成的一个面为第二基准面；将所述试件长度方向x和宽度方向y形成的面标记为正面，并将所述正面的对面记为反面。

进一步地，所述步骤二所述的布置应变片具体包括：在所述反面布置3个应变片，使其测试方向沿所述试件长度方向x，并以所述反面竖直对称线对称；在所述正面布置1个应变片，使其测试方向沿所述试件长度方向x；另取一块试件作为温度补偿件。

进一步地，所述步骤三中夹装所述试件具体包括：将所述试件的所述第一基准面置于线切割机工作台上，使电极丝进给方向与所述正面的法线方向平行，并从正面切入；将电极丝与所述正面的竖直对称线对齐，使布置于所述正面的应变片一侧处于悬空状态，并夹紧所述试件。

进一步地，所述步骤五中对所述试件建模模拟切缝的产生过程，采用有限元分析软件ABAQUS计算所述试件的柔度，具体包括：

(1)、根据试件的对称性，以线切割的切缝为对称轴，对所述试件的一半建立的二维平面模型，并输入相应材料的弹性模量和泊松比；

(2)、采用八节点平面应变单元，设定试件左侧网格间距为切缝宽度的一半，长度为每次切割深度，以及设定其余网格从左往右过渡的网格间距；

(3)、约束模型左侧x方向和z方向的位移自由度作为边界条件；

(4)、设计切割次数为n次，则B为n×n的下三角矩阵，建立n个分析步并循环计算n次，每次计算时得到矩阵B的一列元素；

(5)、在第i个分析步中将1MPa的载荷添加到试件厚度方向z上第i次切割产生的新切割面上，并使之前施加的载荷失效，确保本次计算的n个分析步中只有这一个载荷；

(6)、将最左侧的网格按照切割顺序设定成单元集，每个分析步中对单元集通过model change功能使单元集失效去除，从而模拟切缝的产生；

(7)、通过有限元计算不同数据采集点在x方向的位移所对应的矩阵B。

进一步地，所述步骤六中求解得到所述试件的残余应力分布具体包括：

设厚度方向上沿x向的残余应力为σ_x(z)，试件厚度为W，切缝某一时刻的深度为t，第1组应变片中心距切缝中心距离为x₁，第2组应变片中心距切缝中心距离为x₂，每次切割的深度为f，最大切割次数为m，切缝的最终深度为z时，则有：

其中，C(t，z)为试件的柔度，它表示切缝最终深度为z，在深度为t时单位距离上1MPa载荷引起的应变；当切割次数足够多时，可以认为在一次切割的范围内，残余应力幅值为常数，对于第一组应变数据此时有：

即切缝最终深度为z＝nf时，ε₁随着切割深度增加的变化规律；其中，fC₁(if，nf)表示切割深度为nf时，仅在深处为(i-1)f到if处存在1MPa的载荷引起的应变；

同理，对于切缝最终深度为z＝nf时，第二组应变数据ε₂随着切割深度增加的变化规律为：

由此测试出两组应变数据ε₁、ε₂；

以上公式可合写成矩阵的形式：

当fC₁σ＝ε₁时，令B₁＝fC₁，则：

σ＝B₁ ^-1ε₁，

同理，fC₂σ＝ε₂时，令B₂＝fC₂，则：

σ＝B₂ ^-1ε₂，

或者

进一步地，在切割完成之后，进行以下的测量：

①裂纹的宽度，在开始切割的位置测量；

②试样的厚度W；

③裂纹的长度。

根据上述本发明所提供的方法，能够精确地测试应用于航空领域的铝合金板材内部残余应力分布，相比裂纹柔度法，可以使有限元模拟的应变与实测的应变完全相同，相对于现有技术具有显著提高测试精度等诸多有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例中应变片粘贴位置示意图

图2是本发明所提供方法的切割过程示意图

图3是本发明所提供方法中的有限元网格划分示意图

图4是本发明所提供方法中的残余应力计算原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法的技术方案，做出进一步详尽的阐释。

图1、2示出了根据本发明所提供方法的一具体实施例中试件制备和应变片布置方式。截取一定长度的预拉伸板作为试件，试件长度为板材厚度尺寸的2～2.5倍，试件的长度方向与待测应力分量方向平行。将试件长度方向与宽度方向形成的一个面标记为正面1，正面1的对面标记为反面2。以试件长度方向和厚度方向形成的一个面为第一基准面3。以试件宽度方向和厚度方向形成的一个面为第二基准面4。规定试件长度方向为x向，试件宽度方向为y向，试样厚度方向为z向。清除试件表面污物。

应变片的布置过程中，反面应变片的布置基于第一基准面3和第二基准面4，在反面2画出水平和竖直两条对称线，称为反面水平基准线5和反面竖直基准线6。以反面基准线为基准，在距其上下1.5cm处各画一条水平线。取三个应变片，将其竖直定位标志与反面竖直基准线6对齐，将其水平定位标志分别与三条水平线对齐。正面应变片的布置基于第一基准面3和第二基准面4，在试件正面1画出水平和竖直两条对称线，称为正面水平基准线7和正面竖直基准线8。过正面水平基准线7作垂线，称为正面定位线9，并使其距正面竖直基准线8距离为1cm。取一个应变片，将其水平定位标志与正面水平基准线7对齐，敏感栅竖直一侧与“正面”定位线9对齐。

使用502胶水粘贴应变片在上述位置，并将应变片引线焊接到接线端子一端，接线端子另一端与导线焊接，并将导线接到应变采集箱测试通道上。在应变片上涂抹绝缘胶作为防护。另取一块试件作为温度补偿件，在补偿件上粘贴应变片，并将应变片引线焊接到接线端子一端，接线端子另一端与导线焊接，并将导线接到应变采集箱补偿通道上。

如图2所示，装夹和切割过程中，将试件的第一基准面3置于线切割机工作台10上，使电极丝进给方向与试件正面法线方向平行，并从正面切入。将电极丝移动到正面表面，并与正面竖直基准线8对齐，使正面应变片13所在的半个试件处于悬空状态，用压板11夹紧试件14。具体加工参数为根据板材厚度确定每次切割深度f，切割次数为m次，m为30～50，总的切割深度为试件厚度95％～98％。切割开始前，观察静应变采集箱的应变数据，当应变数据稳定在-1～1με时，开始测试。如果应变数据波动较大，应重新粘贴应变片。线切割机电极丝每次进给之后，观察应变数据，当应变数据的波动范围为1～2με时，记录反面的应变数据ε₁和正面的应变数据ε₂，进行下一次进给。

建模模拟切缝产生过程如图3所示，根据试件的对称性，以线切割的切缝为对称轴，对所述试件的一半建立75×50mm的二维平面模型，并输入相应材料的弹性模量71.7GPa和泊松比0.33；采用八节点平面应变单元，设定试件左侧网格间距为切缝宽度的一半0.1mm，长度为每次切割深度1mm，以及设定其余网格从左往右过渡的网格间距为2mm；约束模型左侧x方向和z方向的位移自由度作为边界条件；设计切割次数为49次，则B为49×49的下三角矩阵，建立49个分析步并循环计算49次，每次计算时得到矩阵B的一列元素；在第i个分析步中将1MPa的载荷添加到试件厚度方向z上第i次切割产生的新切割面上，并使之前施加的载荷失效，确保本次计算的49个分析步中只有这一个载荷。第i次计算仅在深度为((i-1)f～if)的切割面上有1MPa的载荷。那么第i次计算，就可以获得B(if，49f)、B((i+1)f，49f)……B(49f，49f)共(50-i)个元素。将最左侧的网格按照切割顺序设定成单元集，每个分析步中对单元集通过model change功能使单元集失效去除，从而模拟切缝的产生；比如，将图3中的第一数据采集点15、第二数据采集点16、第三数据采集点17设为单元集，计算后输出各点在x方向的位移U₁₅、U₁₆、U₁₇。以敏感栅长度为6mm的应变片为例，B₁(jf，if)＝U₁₅(jf，if)/3，B₂(jf，if)＝[U₁₇(jf，if)-U₁₆(jf，if)]/6。通过有限元计算不同数据采集点在x方向的位移所对应的矩阵B的元素。

基于所确定的矩阵B和应变数据计算残余应力的原理如图4所示，设厚度方向上沿x向的残余应力为σ_x(z)，试件厚度为W，切缝某一时刻的深度为t，第1组应变片中心距切缝中心距离为x₁，第2组应变片中心距切缝中心距离为x₂，每次切割的深度为f，最大切割次数为m，切缝的最终深度为z时，则有：

其中，C(t，z)为试件的柔度，它表示切缝最终深度为z，在深度为t时单位距离上1MPa载荷引起的应变；当切割次数足够多时，可以认为在一次切割的范围内，残余应力幅值为常数，对于第一组应变数据此时有：

即切缝最终深度为z＝nf时，ε₁随着切割深度增加的变化规律；其中，fC₁(if，nf)表示切割深度为nf时，仅在深处为(i-1)f到if处存在1MPa的载荷引起的应变；

同理，对于切缝最终深度为z＝nf时，第二组应变数据ε₂随着切割深度增加的变化规律为：

由此测试出两组应变数据ε₁、ε₂；

以上公式可合写成矩阵的形式：

当fC₁σ＝ε₁时，令B₁＝fC₁，则：

σ＝B₁ ^-1ε₁，

同理，fC₂σ＝ε₂时，令B₂＝fC₂，则：

σ＝B₂ ^-1ε₂，

或者

通常ε₁的前10个应变数据较小，采用应变片测量时误差较大，因此σ_x(f)到σ_x(10f)由ε₂和B₂确定，σ_x(11f)到σ_x(mf)取两个公式计算的平均值。

具体计算过程为：

对于σ_x(11f)到σ_x(mf)，

其中ε₁取三个“反面”应变片测得的平均值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种铝合金预拉伸板内部残余应力的测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、制备铝合金预拉伸板试件；

步骤二、在所述试件上的相应位置布置应变片；

步骤三、装夹所述试件；

步骤四、通过线切割机对所述试件进行切割，在所述线切割机的电极丝每次进给后，记录每组应变片稳定时的应变数据，并进行下一次进给；

步骤五、对所述试件建模模拟切缝的产生过程，采用有限元分析软件ABAQUS计算所述试件的柔度；

步骤六、基于所述步骤五中得到的所述试件的柔度以及所述步骤四中所记录的应变数据，求解得到所述试件的残余应力分布；

所述步骤五中对所述试件建模模拟切缝的产生过程，采用有限元分析软件ABAQUS计算所述试件的柔度，具体包括：

(1)、根据试件的对称性，以线切割的切缝为对称轴，对所述试件的一半建立的二维平面模型，并输入相应材料的弹性模量和泊松比；

(2)、采用八节点平面应变单元，设定试件左侧网格间距为切缝宽度的一半，长度为每次切割深度，以及设定其余网格从左往右过渡的网格间距；

(3)、约束模型左侧x方向和z方向的位移自由度作为边界条件；

(4)、设计切割次数为n次，则B为n×n的下三角矩阵，建立n个分析步并循环计算n次，每次计算时得到矩阵B的一列元素；

(5)、在第i个分析步中将1MPa的载荷添加到试件厚度方向z上第i次切割产生的新切割面上，并使之前施加的载荷失效，确保本次计算的n个分析步中只有这一个载荷；

(6)、将最左侧的网格按照切割顺序设定成单元集，每个分析步中对单元集通过modelchange功能使单元集失效去除，从而模拟切缝的产生；

(7)、通过有限元计算不同数据采集点在x方向的位移所对应的矩阵B中的元素；

所述步骤六中求解得到所述试件的残余应力分布具体包括：

设厚度方向上沿x向的残余应力为σ_x(z)，试件厚度为W，切缝某一时刻的深度为t，第1组应变片中心距切缝中心距离为x₁，第2组应变片中心距切缝中心距离为x₂，每次切割的深度为f，最大切割次数为m，切缝的最终深度为z时，则有：

其中，C(t，z)为试件的柔度，它表示切缝最终深度为z，在深度为t时单位距离上1MPa载荷引起的应变；当切割次数足够多时，可以认为在一次切割的范围内，残余应力幅值为常数，对于第一组应变数据此时有：

即切缝最终深度为z＝nf时，ε₁随着切割深度增加的变化规律；其中，fC₁(if，nf)表示切割深度为nf时，仅在深处为(i-1)f到if处存在1MPa的载荷引起的应变；

同理，对于切缝最终深度为z＝nf时，第二组应变数据ε₂随着切割深度增加的变化规律为：

由此测试出两组应变数据ε₁、ε₂；

以上公式可合写成矩阵的形式：

当fC₁σ=ε₁时，令B₁＝fC₁，则：

σ=B₁ ^-1ε₁，

同理，fC₂σ=ε₂时，令B₂＝fC₂，则：

σ=B₂ ^-1ε₂，

或者

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一所述的制备铝合金预拉伸板试件具体包括：截取一定长度的预拉伸板作为试件，所述试件的长度方向x与待测应力分量方向平行；以所述试件长度方向x和厚度方向z形成的一个面为第一基准面；以所述试件宽度方向y和厚度方向z形成的一个面为第二基准面；将所述试件长度方向x和宽度方向y形成的面标记为正面，并将所述正面的对面记为反面。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二所述的布置应变片具体包括：在所述反面布置3个应变片，使其测试方向沿所述试件长度方向x，并以所述反面竖直对称线对称；在所述正面布置1个应变片，使其测试方向沿所述试件长度方向x；另取一块试件作为温度补偿件。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤三中装夹所述试件具体包括：将所述试件的所述第一基准面置于线切割机工作台上，使电极丝进给方向与所述正面的法线方向平行，并从正面切入；将电极丝与所述正面的竖直对称线对齐，使布置于所述正面的应变片一侧处于悬空状态，并夹紧所述试件。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在切割完成之后，进行以下的测量：

①裂纹的宽度，在开始切割的位置测量；

②试样的厚度W；

③裂纹的长度。

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