CN111521312A - 一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法。属于光纤测量技术领域。本发明的方法基于盲孔法测试原理，通过预先在周围布置的应变传感器来计算该位置附近的残余应力大小。再将待测材料放入测量材料表面形貌的橡胶底座中，得到材料表面的应变分布情况，结合盲孔法测试数据，得到残余应力与光纤测量材料表面形貌装置信号的对应关系。用以辅助基于光纤测量材料表面形貌装置测试残余应力进行残余应力定量测试及分析。
Description
技术领域
本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及的是基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法。
背景技术
残余应力的测试方法分为机械释放法和无损测试法两大类。机械释放法常用的方法有剥层法、取条法、钻孔法等。机械释放法主要原理是结构件破坏性的应力释放，应力释放部分产生相应的位移与应变，利用工具测量出这些位移和应变，然后通过换算得到构件原有的应力。无损检测法是利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力。常用方法有X射线衍射法，超声测试法等。钻孔法是少数被纳入ASTM测试标准的残余应力测量方法，根据孔是否穿透构件，小孔法又分为了通孔法和盲孔法。其中盲孔法测试方式精度较高，且对构件造成的损伤较小，为现在残余应力测试的主要测量手段。
专利CN201810379267.4通过设计一种基于光纤测量材料表面形貌装置，研究高精度的材料残余应力无损测试方法，具有结构简单，精度高等特点。本发明基于光纤测量材料表面形貌装置及其监测方法，提出一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法。用基于光纤测量材料表面形貌装置测试残余应力的方式属于被动测量，需要待测材料由于残余应力的存在产生一定形变，待测材料与传感膜接触后通过光纤传感阵列的信号的变化反演待测材料的残余应力。其次，待测材料中残余应力的自然释放过程较长且不可控。
发明内容
为了解决现有技术中，光纤测量材料残余应力时测到的是材料由于内应力导致的形貌变化信号，无法与材料的残余应力直接对应的问题，本发明的目的在于提供一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，可以对光纤的应变信号与材料的残余应力进行标定，建立光纤测量信号与材料残余应力的对应关系，用于接触式光纤传感阵列底座测量材料残余应力的定量测试。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，包括以下步骤：
步骤1：构建材料残余应力测量系统：材料残余应力测量系统包括标准具、应变传感器、橡胶底座、光纤传感器阵列、解调及数据处理系统，所述橡胶底座是一个方体橡胶实心结构，其上表面中间部分开设有一个与标准具相对应的凹槽，光纤传感器阵列布设在距凹槽表面一定深度处，光纤传感器阵列的光纤尾纤与解调及数据处理系统连接；
步骤2.将标准具放入橡胶底座的凹槽中相互挤压接触，监测橡胶底座内光纤传感器阵列的测量值；
步骤3.从橡胶底座中取出标准具，在标准具上选取钻孔位置，并在钻孔位置的一定距离上固定三个不同方向的应变传感器；
步骤4.钻孔，分别记录钻孔前和钻孔后的应变值，将孔周围的应变传感器与标准具分离并清洁标准具表面；
步骤5.计算标准具的孔位置的残余应力；
步骤6.将开孔后的标准具放入橡胶底座中相互挤压接触，监测橡胶底座内光纤传感器阵列的测量值，并记录标准具钻孔前后放入橡胶底座中光纤传感器阵列的测量值信号变化测量值；
步骤7.建立光纤传感器阵列的信号变化测量值与标准具钻孔位置测得的残余应力值的对应关系；
步骤8.在标准具上选取不同位置钻孔测试并重复上述步骤1-步骤7，建立多次标定测试下光纤传感器阵列的信号变化与标准具钻孔测得残余应力值的对应关系库，即可将标准具替换为待测材料，通过光纤传感器阵列测量及建立的光纤传感器阵列的信号变化与标准具钻孔测得残余应力值的对应关系库得到待测材料的残余应力。
进一步的，步骤1中，所述光纤传感器阵列由多个光纤传感器串联而成。
进一步的，步骤3中，所述钻孔位置的选取规则为，钻孔位置与标准具边缘的距离大于孔直径的四倍，钻孔位置与已有孔心的距离大于孔直径的五倍，每次钻孔的大小和深度一致。
进一步的，步骤3中，所述应变传感器通过胶黏剂粘接固定。
进一步的，所述胶粘剂为速干胶或环氧树脂胶。
进一步的，步骤3中，所述应变传感器为光纤光栅传感器或电阻应变传感器。
进一步的，所述步骤5中，计算标准具的孔的残余应力的具体方法为，通过监测钻孔前后孔周围的应变传感器的应变变化值，将应变传感器的应变变化值带入盲孔法公式中得到标准具上孔附近的残余应力。
进一步的，所述步骤7中，建立光纤传感器阵列的信号变化测量值与标准具的孔位置测得的残余应力值的对应关系的方法为，将步骤5得到与孔位置最近的光纤传感器测点的信号变化量提出，并将此信号变化量与标准具上钻孔测得的残余应力对应并存入库中。
进一步的，所述标准具为一个半球状实心结构，力学性能与待测材料的相似，形状及尺寸与未受残余应力影响产生变形的待测材料相同。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明提出一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，用以辅助基于光纤测量材料表面形貌装置测试残余应力进行残余应力定量测试及分析，完善了接触式压力传感器测试残余应力的标定方法；采用小孔释放的方式来加速残余应力的释放，在未变形的标准具上钻孔，通过预先在周围布置的应变传感器来得到该位置附近的残余应力大小。再将标准具放入橡胶传感膜中得到光纤传感阵列的信号情况，结合未开孔之前的数据进行对比，建立开孔前后光纤传感阵列的信号变化与标准具开孔测得残余应力的对应关系。解决了由于待测材料残余应力的自然释放过程较长且不可控对测试的影响。
附图说明
图1为本发明盲孔法测量材料残余应力装置仰视图；
图2为本发明盲孔法测量材料残余应力标准具正视图；
图3为本发明盲孔法测量材料残余应力标准具左视图；
图4为本发明盲孔法测量材料残余应力标准具俯视图；
图5为本发明盲孔法测量材料残余应力应变传感器布置示意图；
图6为本发明接触式光纤传感阵列测量材料残余应力装置示意图；
图7为本发明接触式光纤传感阵列测量材料残余应力装置正视图；
图8为本发明接触式光纤传感阵列测量材料残余应力装置俯视图；
图9为本发明的标定流程图。
图中标记：1-标准具，2-应变传感器，3-孔，4-橡胶底座，5-光纤传感器阵列，6-解调及数据处理系统。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图9所示，一种基于盲孔3法标定光纤测量材料残余应力的方法，具体的实现步骤为：
步骤1.材料残余应力测量系统包括标准具1、应变传感器2、橡胶底座4、光纤传感器阵列5、解调及数据处理系统6，所述标准具1为一个半球状实心结构，力学性能与待测材料的相似，形状及尺寸与未受残余应力影响产生变形的待测材料相同，所述橡胶底座4是一个方体橡胶实心结构，上表面中间部分有一个与标准具1相对应的凹槽，距凹槽表面一定深度处布设有光纤传感器阵列5，光纤传感器阵列5的光纤尾纤与解调及数据处理系统6连接；如图1-8所示，
步骤2.将标准具1放入橡胶底座4的凹槽中相互挤压接触，监测橡胶底座4内光纤传感器阵列5的测量值；
步骤3.从橡胶底座4中取出标准具1，在标准具1上选取钻孔3位置，并在钻孔3位置的一定距离上固定三个不同方向的应变传感器2；
步骤4.钻孔3，分别记录钻孔3前和钻孔3后的应变值，将孔3周围的应变传感器2与标准具1分离并清洁标准具1表面；
步骤5.计算标准具1的孔3位置的残余应力；
步骤6.将开孔3后的标准具1放入橡胶底座4中相互挤压接触，监测橡胶底座4内光纤传感器阵列5的测量值，并记录标准具1钻孔3前后放入橡胶底座4中光纤传感器阵列5的测量值信号变化测量值；
步骤7.建立光纤传感器阵列5的信号变化测量值与标准具1钻孔3位置测得的残余应力值的对应关系；
步骤8.在标准具1上选取不同位置钻孔3测试并重复上述步骤1-步骤7，建立多次标定测试下光纤传感器阵列5的信号变化与标准具1钻孔3测得残余应力值的对应关系库，即可将标准具1替换为待测材料，通过光纤传感器阵列5测量及建立的光纤传感器阵列5的信号变化与标准具1钻孔3测得残余应力值的对应关系库得到待测材料的残余应力。
步骤1中，所述光纤传感器阵列5由多个光纤传感器串联而成。
步骤3中，所述钻孔3位置的选取规则为，钻孔3位置与标准具1边缘的距离大于孔3直径的四倍，钻孔3位置与已有孔3心的距离大于孔3直径的五倍，每次钻孔3的大小和深度一致。
步骤3中，所述应变传感器2通过胶黏剂粘接固定。所述胶粘剂为速干胶或环氧树脂胶。所述应变传感器2为光纤光栅传感器或电阻应变传感器2。采用光纤光栅传感器时可直接与解调及数据处理系统6连接，也就是可以与光纤传感器阵列5共用一套解调及数据处理系统6；采用电阻应变传感器2时需要单独连接一套解调及数据处理系统6。
所述步骤5中，计算标准具1的孔3的残余应力的具体方法为，通过监测钻孔3前后孔3周围的应变传感器2的应变变化值，将应变传感器2的应变变化值带入盲孔3法公式中得到标准具1上孔3附近的残余应力。
所述步骤7中，建立光纤传感器阵列5的信号变化测量值与标准具1的孔3位置测得的残余应力值的对应关系的方法为，将步骤5得到与孔3位置最近的光纤传感器测点的信号变化量提出，并将此信号变化量与标准具1上钻孔3测得的残余应力对应并存入库中。
本实施例中，标准具1为光敏树脂材料的实心正半球。钻孔3时钻头采用直径3mm的麻花钻头。应变传感器2放置在孔3周围呈0°，45°，90°方向。
应变传感器2采用商用光纤光栅传感器，栅长即传感区域长度5mm，带宽0.3dB。在栅区处用安特固胶粘剂将该部分与待测表面固定，为给光纤光栅施加一定的预应力，在点胶前沿光纤轴向拉伸该光栅。尾端引出的光纤用熔接机与光纤跳线的尾端连接，并将熔接点用30mm长度的热缩管进行热缩处理后保护。将跳线头接入光纤光栅波长解调仪。解调装置采用英国SmartFiber公司生产的光纤光栅商用解调仪，测量精度为1pm。
步骤3至步骤5中盲孔3法测试流程为：
1.选取钻孔3位置，并标记钻孔3中心；
2.打磨待测物的表面，必须保证粘贴表面无油污，表面清洗后立即粘应变传感器2；
3.在标准具1表面粘贴应变传感器2，应变传感器2布置应该与钻孔3中心呈等距排列，每个传感器沿钻孔3中心呈一定的角度放置，为保护应变传感器2，孔3外边缘与传感器之间应该至少留有0.3mm的间隙；
4.在开始钻孔3操作前需要从应变传感器2上读取零值；
5.钻孔3时选用3mm直径的麻花钻头；
6.钻孔3时应将钻头与钻孔3中心对中，并尽可能保持钻头垂直于标准具1表面,压力适中,钻到预定孔3深后,拔出钻具，钻孔3应在恒温环境下进行，钻孔3后小孔3直径为3mm，深度为5mm；
7.待一段时间传感器示数稳定后记录此时的数据，将钻孔3前后两次的测读的应变值相减，并减去温度的影响后其值即为由于钻孔3残余应力应力释放导致的应变量，将值带入下述主应力计算公式，即可得到该孔3区域内的残余应力值，本实施例中将计算得到第一主应力作为残余应力值。
钻孔3测试完成后小心剥离应变传感器2，并将残余的胶黏剂去除，保证待测物表面的平整。图5为0°-45°-90°应变花测试示意图，小孔3孔3径为d，平面最大主应变、最小主应力分别为σ1和σ2，钻孔3前后三个应变片测到的应变差值分别为ε1、ε2和ε3。θ为主应力σ1与零轴传感器的夹角。主应力计算公式如下所示：
式中：σ1——最大主应力，MPa
σ2——最小主应力，MPa
θ——主应力σ1与零轴传感器的夹角
A，B——应变释放系数
由于孔3深大于1.2倍的孔3径时残余应力随深度改变释放量基本可忽略，故本实施例可采用通孔3应变释放系数公式，应变释放系数A，B由Kirsch理论解得到，其中E为材料弹性模量，μ代表材料泊松比。将A，B代入上式可得到平面的主应力和方向。应变释放系数计算公式如下
式中：r1——孔3心至传感器近端距离，mm
r2——孔3心至传感器远端距离，mm
d——小孔3直径，mm
E——弹性模量，MPa
μ——泊松比。
如图6-8所示，所述橡胶底座4为一方体，中间位置有一个与标准具1外径相同的半球形凹槽，可以与未钻孔3时的标准具1完全贴合，距凹槽表面2mm布设有光纤传感器阵列5。光纤传感器阵列5由若干个光纤光栅传感器构成，相邻光纤光栅传感器测量间隔为3～5cm，每个测点布置有正交光纤光栅。
步骤7和步骤8为光纤传感器阵列5具体的标定过程，盲孔3法测到的残余应力值作为标准值，橡胶底座4内的光纤传感阵列测量结果作为实验值。将盲孔3法测到的残余应力值记为σ，在标准具1与橡胶底座4完全接触后，提取橡胶底座4中与此次钻孔3位置最近的光纤光栅传感器测点信号，将该测点信号在标准具1钻孔3前后的变化量记为λ，钻孔3位置记为由此可以得到一组在该位置标定测试下σ与λ的对应关系，重复进行多次的钻孔3标定测试，即可得到橡胶底座4内的光纤光栅传感器的光栅信号与标准具1上测得的残余应力对应关系的数据库。
完成对橡胶底座4内的光纤传感器阵列5标定过程后，将待测物体(与标准具1的力学性能相似，形状及尺寸与未受残余应力影响产生变形的标准具1相同)放入橡胶底座4的凹槽内完全接触后得到此时各光纤光栅传感器测点的信号，将其与未钻孔3的标准具1与橡胶底座4的凹槽完全接触后得到的光纤传感器测点信号的差值记为λ，利用标定过程建立的数据库可以得到各光纤传感器测点位置所对应的残余应力值σ，可以得到待测材料不同区域的残余应力测量值。
通过此方法，可以不用直接对待测材料进行钻孔3破坏，就可以直接得出待测材料的残余应力值，此方法对价格较高的材料测试残余应力值能节省很大的成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：构建材料残余应力测量系统：材料残余应力测量系统包括标准具、应变传感器、橡胶底座、光纤传感器阵列、解调及数据处理系统，所述橡胶底座是一个方体橡胶实心结构，其上表面中间部分开设有一个与标准具相对应的凹槽，光纤传感器阵列布设在距凹槽表面一定深度处，光纤传感器阵列的光纤尾纤与解调及数据处理系统连接；
步骤2.将标准具放入橡胶底座的凹槽中相互挤压接触，监测橡胶底座内光纤传感器阵列的测量值；
步骤3.从橡胶底座中取出标准具，在标准具上选取钻孔位置，并在钻孔位置的一定距离上固定三个不同方向的应变传感器；
步骤4.钻孔，分别记录钻孔前和钻孔后的应变值，将孔周围的应变传感器与标准具分离并清洁标准具表面；
步骤5.计算标准具的孔位置的残余应力；
步骤6.将开孔后的标准具放入橡胶底座中相互挤压接触，监测橡胶底座内光纤传感器阵列的测量值，并记录标准具钻孔前后放入橡胶底座中光纤传感器阵列的测量值信号变化测量值；
步骤7.建立光纤传感器阵列的信号变化测量值与标准具钻孔位置测得的残余应力值的对应关系；
步骤8.在标准具上选取不同位置钻孔测试并重复上述步骤1-步骤7，建立多次标定测试下光纤传感器阵列的信号变化与标准具钻孔测得残余应力值的对应关系库，即可将标准具替换为待测材料，通过光纤传感器阵列测量及建立的光纤传感器阵列的信号变化与标准具钻孔测得残余应力值的对应关系库得到待测材料的残余应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：步骤1中，所述光纤传感器阵列由多个光纤传感器串联而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：步骤3中，所述钻孔位置的选取规则为，钻孔位置与标准具边缘的距离大于孔直径的四倍，钻孔位置与已有孔心的距离大于孔直径的五倍，每次钻孔的大小和深度一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：步骤3中，所述应变传感器通过胶黏剂粘接固定。
5.根据权利要求4所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：所述胶粘剂为速干胶或环氧树脂胶。
6.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：步骤3中，所述应变传感器为光纤光栅传感器或电阻应变传感器。
7.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：所述步骤5中，计算标准具的孔的残余应力的具体方法为，通过监测钻孔前后孔周围的应变传感器的应变变化值，将应变传感器的应变变化值带入盲孔法公式中得到标准具上孔附近的残余应力。
8.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：所述步骤7中，建立光纤传感器阵列的信号变化测量值与标准具的孔位置测得的残余应力值的对应关系的方法为，将步骤5得到与孔位置最近的光纤传感器测点的信号变化量提出，并将此信号变化量与标准具上钻孔测得的残余应力对应并存入库中。
9.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法标定光纤测量材料残余应力的方法，其特征在于：所述标准具为一个半球状实心结构，力学性能与待测材料的相似，形状及尺寸与未受残余应力影响产生变形的待测材料相同。
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