CN109323791B - 基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料残余应力测量领域，涉及一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法。该方法首先针对待测复合材料板材确定测量位置和测量方向，并在相应的位置粘贴若干个应变片，然后将应变片与静态应变测试仪相连，将静态应变测试仪与计算机相连，利用计算机实时记录数据。使用数控切割机床在板材粘贴应变片的位置的背面进行增量切割，以固定的背吃刀量对板材进行多次切割，切割的深度随测量的目的而定，切割完成后可获取各个位置处的各应变片处随切割深度变化的应变值。接着利用有限元模型求得所有应变片位置处的应力分布，最后可以通过改变应变片粘贴和切割的方向对其他方向和位置进行相应的测量。

Description

基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法

技术领域

本发明属于复合材料残余应力测量领域，涉及一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法。

背景技术

复合材料在成型过程中，由于纤维和基体的热膨胀系数的不同以及内外冷却速率的不同，在冷却过程中会产生明显的残余应力，残余应力的产生会使板材发生翘曲变形，会使板材在使用过程中产生很多不利的影响。因此，为了达到调控残余应力的目的，复合材料的残余应力的测量就显得尤为关键。目前比较常用的残余应力测量方法主要分为无损检测以及有损检测两类。无损检测包括例如X射线法、中子衍射法、磁性法等方法。但此类方法成本很高，而且对设备以及人员的操作水平要求较高，不利于实际的工程应用。有损检测在工程实际中应用十分广泛，主要包括盲孔法和切割法，其中盲孔法应用较为广泛，但是此方法主要针对各向同性材料，而复合材料具有各向异性的特点，不适宜用此方法检测。

本发明针对传统测试的上述问题，利用增量切割法，使用合理划分区域、合理布置应变片、合理确定切割位置的方法，对各个待测部分进行测试。通过切割使残余应力重新分布引起构件的变形从而获取应变值，借助有限元方法和给出的计算方法与公式，可准确计算出复合材料板材的全局残余应力的分布。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提出一种能快速准确且低成本的测量计算复合材料板材全局残余应力分布的方法。

本发明的技术方案是：

一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，步骤如下：

第一步：对复合材料板材进行增量切割试验获取试验数据

(1)确定复合材料板材的测量位置和方向：对于待测的矩形复合材料板材，由于复合材料板材呈轴对称形态，且在固化过程中，复合材料板材内部应力的分布也呈轴对称形态，故如要测量复合材料板材的全局应力状态，可将复合材料板材按轴对称划分为几个部分，作为待测区域。针对复合材料板材的纵向正应力分布，将复合材料板材分为上下两半部分，在上半部分对称布置多条水平切割线进行切割试验；针对复合材料板材的横向正应力分布，将复合材料板材下半部分分为左右两侧，在其中一侧对称布置多条竖直切割线进行切割试验。针对对称的复合材料板材，可以使用此种区域划分方式，切割线的密度依据复合材料板材的尺寸选定，复合材料板材尺寸大，可相应增大切割线的密度。在各个待测区域的切割线上沿宽度方向打磨清洗，保证表面光滑无杂质后，在切割线上对称粘贴多个应变片，每条切割线上的多个应变片保持在同一水平线或同一竖直线上，应变片的侧面与切刀平面保持垂直。

(2)将应变片与静态应变测试仪用数据线相连，将静态应变测试仪与计算机相连，利用计算机实时记录数据。

(3)用数控切割机床夹具将被测的复合材料板材的端部夹紧，确保切割过程中应变片的数值变化均来自切割导致的残余应力重新分布而带来的复合材料板材变形；用数控切割机床在复合材料板材上粘贴应变片的位置的背面进行切割，切刀所在平面与应变片的横向中心线重合，以固定的背吃刀量对复合材料板材进行多次切割，切割的深度随测量的目的而定，一般切割深度超过板材厚度的一半。

(4)切割完成后获得随切割深度变化的应变值，对复合材料板材的其他待测区域用上述方法依次进行切割试验，获取其他位置处的各应变片处随切割深度变化的应变值，用公式表示为：

ε(a_i)＝ε_i (1)

其中，a_i为第i次的切割深度，i为切割的次数，i＝1,2... ,n，ε(a_i)表示切割深度为a_i时测得的应变值，ε_i表示第i次切割的应变值。

第二步：对实验数据进行处理，获取随切割深度变化的残余应力值

建立尺寸和边界条件与被测复合材料板材相同的有限元模型，将勒让德多项式作为预应力施加到有限元模型中，模拟实际的切割过程，具体如下：

(1)C_ij表示当切割深度为a_i、应力在深度方向上的函数为勒让德多项式p_j(x)时，通过有限元方法计算所得的应变值，具体公式表达如下：

C_ij＝ε(a＝a_i,σ_initial(x)＝P_j(x)) (2)

其中，a为切割深度，x表示各切割深度数值，σ_initial(x)为沿切割深度方向处的预应力函数表达式，p_j(x)为各阶勒让德多项式在深度方向上的应力函数表达式。

(2)求解各阶勒让德多项式的拟合系数A_j，公式为：

{A}为A_j组成的列向量，用公式表示为：

利用最小二乘法，{A}表示为：

{A}＝([C]^T[C])^-1[C]^T{ε_meas} (5)

其中，j是勒让德多项式的阶数，j＝2,3...,m；{ε_meas}是由测得的应变值形成的列向量，用公式表达为：

[C]是由各应变值C_ij组合形成的矩阵，用公式表示为：

(3)通过勒让德多项式拟合随切割深度变化的残余应力σ(x)，即求出一个应变片处的随切割深度变化的残余应力分布，σ(x)表达公式为：

第三步，利用第二步中的方法测量复合材料板材不同的待测区域中的所有应变片位置处的应力分布，最终通过对称性获取整个复合材料板材的残余应力分布。

由于复合材料板材的各向异性，本发明可以通过改变应变片粘贴的位置和切割的方向对其他位置和方向进行相应的测量。

本发明的有益技术效果：

1、针对复合材料全板残余应力的测量，现有的办法是将板材切分成若干个小块后，对每个小块单独粘贴一个应变片后进行测量。而在切分成为若干个小块的过程中会经历多次的切割，板材内部原始的残余应力分布与初始状态相比已经发生了巨大的改变。使用这样的方法针对每一个块测得的残余应力是准确的，但是与其在板材上的初始残余应力相比就不准确了。故现有的方法并不适用于实际的工程应用。本发明可以通过合理划分区域、合理布置应变片、合理确定切割位置的方式，尽可能减小对原始残余应力分布的影响，使最终求得的残余应力分布更加接近残余应力的初始状态，具有明显的工程应用意义。

2、每完成一次切割可获取多个位置处的应变值，使得在尽量减少切割次数的前提下还可以准确快速获得多处应变值，大大提高了测量的效率。

3、在计算残余应力时使用有限元方法参与计算过程，并且使用勒让德多项式进行拟合，大大提高了方法的科学性和准确性。

附图说明

图1是复合材料板材残余应力测量与计算的流程图。

图2是根据复合材料板材的对称性将复合材料板材划分的若干个部分以及应变片粘贴位置与方向的示意图。

图中：Ⅰ第一次切割位置；Ⅱ第二次切割位置；Ⅲ第三次切割位置；Ⅳ第四次切割位置；Ⅴ第五次切割位置。

图3是基于增量切割法的复合材料板材的残余应力测量的示意图。

图中：1数控切割机床夹具；2复合材料板材；3应变片；4数控切割机床主轴；5切割刀片；6数据线a；7静态应变测试仪；8数据线b；9计算机。

图4是切割后切缝周围残余应力沿深度分布的示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1是复合材料板材残余应力测量与计算的流程图；图3是基于增量切割法的复合材料板材的残余应力测量的示意图。

(1)确定复合材料板材2的待测区域和方向，图2展示了一种常见的试验方案，确定5个切割位置Ⅰ-Ⅴ，另外可根据需求自行确定切割位置和方向。

(2)将待测区域中的第一次切割位置Ⅰ沿宽度方向用细砂纸打磨至表面光滑，接着使用丙酮清洗打磨的表面，擦除表面的杂质后按照测量需求粘贴若干个应变片3。粘贴应变片3时要保证应变片的侧面与切刀平面完全垂直。

(3)将应变片3通过数据线a6与静态应变测试仪7相连。将静态应变测试仪 7通过数据线b8与计算机9相连，利用计算机9实时记录应变数据。

(4)用数控切割机床夹具1将被测的复合材料板材2端部夹紧，确保切割过程中应变片3的数值变化均来自切割导致的残余应力重新分布带来的板材变形。

(5)使用数控切割机床主轴4上的切割刀片5在板材粘贴应变片3的位置的背面进行增量切割，以固定的背吃刀量对板材进行多次切割，切割的深度随要测量的深度要求而定。

(6)切割完成后获得随切割深度变化的应变值。对复合材料板材2的切割位置Ⅱ-Ⅴ处重复相同的步骤。获取各位置处的各应变片3处随切割深度变化的应变值。

(7)建立尺寸和边界条件与被测实物相同的有限元模型，将勒让德多项式作为预应力施加到有限元模型中，模拟实际的切割过程，分别得到与试验中切割位置Ⅰ-Ⅴ处，与应变片3相对应的有限元模型位置处的应变值，并将这些应变值利用公式(7)组合形成矩阵[C]。

(8)使用实验中测得的应变值和计算出的矩阵[C]，利用公式(3)计算拟合系数。

(9)使用已知的勒让德多项式与求出的拟合系数，利用公式(8)拟合出残余应力的分布。图4是切割后切缝周围残余应力沿深度分布的示意图。

(10)重复步骤(7)-(9)即可求出所有应变片3位置处的残余应力分布。

(11)利用对称性即可求得复合材料板材全局的应力分布。

Claims (3)

1.一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：对复合材料板材进行增量切割试验获取试验数据

(1)确定复合材料板材的测量位置和方向：将复合材料板材按轴对称划分为几个部分，作为待测区域；对于复合材料板材的纵向正应力分布，将复合材料板材分为上下两半部分，在上半部分对称布置多条水平切割线进行切割试验；对于复合材料板材的横向正应力分布，将复合材料板材下半部分分为左右两侧，在其中一侧对称布置多条竖直切割线进行切割试验；切割线的密度依据复合材料板材的尺寸选定，复合材料板材尺寸大，则相应增大切割线的密度；在各个待测区域的切割线上沿宽度方向打磨清洗，保证表面光滑无杂质后，在切割线上对称粘贴多个应变片，每条切割线上的多个应变片保持在同一水平线或同一竖直线上，应变片的侧面与切刀平面保持垂直；

(2)将应变片与静态应变测试仪用数据线相连，将静态应变测试仪与计算机相连，利用计算机实时记录数据；

(3)用数控切割机床夹具将被测的复合材料板材的端部夹紧，确保切割过程中应变片的数值变化均来自切割导致的残余应力重新分布而带来的复合材料板材变形；用数控切割机床在复合材料板材上粘贴应变片的位置的背面进行切割，切刀所在平面与应变片的横向中心线重合，以固定的背吃刀量对复合材料板材进行多次切割，切割的深度随测量的目的而定；

(4)切割完成后获得随切割深度变化的应变值，对复合材料板材的其他待测区域依次进行切割试验，获取其他位置处的各应变片处随切割深度变化的应变值，用公式表示为：

ε(a_i)＝ε_i (1)

其中，a_i为第i次的切割深度，i为切割的次数，i＝1,2... ,n，ε(a_i)表示切割深度为a_i时测得的应变值，ε_i表示第i次切割的应变值；

第二步：对实验数据进行处理，获取随切割深度变化的残余应力值

建立尺寸和边界条件与被测复合材料板材相同的有限元模型，将勒让德多项式作为预应力施加到有限元模型中，模拟实际的切割过程，具体如下：

(1)C_ij表示当切割深度为a_i、应力在深度方向上的函数为勒让德多项式p_j(x)时，通过有限元方法计算所得的应变值，具体公式表达如下：

C_ij＝ε(a＝a_i,σ_initial(x)＝P_j(x)) (2)

其中，a为切割深度，x表示各切割深度数值，σ_initial(x)为沿切割深度方向处的预应力函数表达式，p_j(x)为各阶勒让德多项式在深度方向上的应力函数表达式；

(2)求解各阶勒让德多项式的拟合系数A_j，公式为：

{A}为A_j组成的列向量，用公式表示为：

利用最小二乘法，{A}表示为：

{A}＝([C]^T[C])^-1[C]^T{ε_meas} (5)

其中，j是勒让德多项式的阶数，j＝2,3...,m；{ε_meas}是由测得的应变值形成的列向量，用公式表达为：

[C]是由各应变值C_ij组合形成的矩阵，用公式表示为：

(3)通过勒让德多项式拟合随切割深度变化的残余应力σ(x)，即求出一个应变片处的随切割深度变化的残余应力分布，σ(x)表达公式为：

第三步，利用第二步中的方法测量复合材料板材不同的待测区域中的所有应变片位置处的应力分布，最终通过对称性获取整个复合材料板材的残余应力分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，切割深度大于板材厚度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，通过改变应变片粘贴的位置和切割的方向对其他位置和方向进行相应的测量。

Images