CN111855057A - 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法 - Google Patents

基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111855057A
CN111855057A CN202010731379.9A CN202010731379A CN111855057A CN 111855057 A CN111855057 A CN 111855057A CN 202010731379 A CN202010731379 A CN 202010731379A CN 111855057 A CN111855057 A CN 111855057A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
drilling
material plate
strain
depth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202010731379.9A
Other languages
English (en)
Inventor
刘学术
张博添
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202010731379.9A priority Critical patent/CN111855057A/zh
Publication of CN111855057A publication Critical patent/CN111855057A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明属于复合材料残余应力测量领域，提供了一种基于盲孔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。使用数控钻孔机在板材粘贴应变片的位置的背面进行步进钻孔，以固定的步进量对板材进行多次钻孔，钻孔的深度随测量的目的而定，钻孔完成后可获取各个盲孔位置处的各应变片所测得的随钻孔深度变化的应变值。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方向和盲孔的位置对其他方向和位置进行相应的测量。

Description

基于盲孔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，涉及一种基于盲孔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，针对具有各向异性的复合材料，较多应用增量切割法，但在实际应用中，增量切割法有对于构件损伤大、测量应力方向单一、加工条件较高等缺点。且对于大型复合材料板件，增量切割法测量同一切割槽内各点应力差距较大会相互影响产生不可忽略的误差。
本发明针对传统测试的上述问题，利用盲孔法，使用合理划分区域、合理布置应变片、合理确定钻孔位置的方法，对各个待测部分进行测试。通过逐步加深钻孔深度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各测量部位残余应力的分布。
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各部位残余应力分布的方法。
本发明的技术方案是：
一种基于盲孔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步进钻孔试验，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，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；将复合材料板材按轴对称划分为几个部分，作为待测区域；将复合材料板材按轴对称划分为两个部分，作为待测区域；在两侧对称区域需要测量的位置均匀分布一定数量的盲孔，相互对称的盲孔分别采取不同测量方向的应变片粘贴方式；针对对称的复合材料板材，可以使用此种区域划分方式，盲孔的数量依据复合材料板材的尺寸选定，复合材料板材尺寸大，可相应增加盲孔的数量。在各个待测区域的盲孔背面打磨清洗，保证表面光滑无杂质后，在盲孔背面圆心位置粘贴应变片，每个盲孔对应位置的应变片应该与所要测量的残余应力方向相同。
(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)用数控钻孔机夹具将被测的复合材料板材的端部夹紧，确保步进钻孔试验过程中应变片的数值变化均来自步进钻孔试验导致的残余应力重新分布而带来的复合材料板材变形；用数控钻孔机在复合材料板材上粘贴应变片的位置的背面进行步进钻孔，钻头圆心与应变片的中心重合，以固定的步进深度对复合材料板材进行多次步进钻孔，钻孔的深度随测量的目的而定，一般钻孔深度要超过板材厚度的一半；
(4)钻孔完成后获得随钻孔深度变化的应变值，对复合材料板材的其他待测区域用上述方法依次进行步进钻孔试验，获取其他位置处的各应变片处随钻孔深度变化的应变值，用公式表示为：
ε(ai)＝εi (1)
其中，ai为第i次的钻孔深度，i为钻孔的次数，i＝1,2.....,n，ε(ai)表示钻孔深度为ai时测得的应变值，εi表示第i次钻孔的应变值；
第二步：对实验数据进行处理，获取随钻孔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，模拟实际的钻孔过程，具体如下：
(1)Cij表示当钻孔深度为ai、应力在深度方向上的函数为勒让德多项式pj(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：
Cij＝ε(a＝ai,σinitial(x)＝Pj(x)) (2)
其中，a为钻孔深度，x表示各钻孔深度数值，σinitial(x)为沿钻孔深度方向处的预应力函数表达式，pj(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Aj，公式为：
Figure BDA0002603294180000031
{A}为Aj组成的列向量，用公式表示为：
Figure BDA0002603294180000032
利用最小二乘法，{A}表示为：
{A}＝([C]T[C])-1[C]T{εmeas} (5)
其中，j是勒让德多项式的阶数，j＝2,3...,m；{εmeas}是由测得的应变值形成的列向量，用公式表达为：
Figure BDA0002603294180000041
[C]是由各应变值Cij组合形成的矩阵，用公式表示为：
Figure BDA0002603294180000042
(3)通过勒让德多项式拟合随钻孔深度变化的残余应力σ(x)，即求出一个应变片处的随钻孔深度变化的残余应力分布，σ(x)表达公式为：
Figure BDA0002603294180000043
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方向对其他方向的应力进行相应的测量。
本发明的有益效果：
(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合理划分区域，并采用增量切割法结合有限元软件，将测得的应变数据通过拟合公式转化为应力数据，进而获得整个板件的应力分布情况。但这种方法由于板件在固化成型过程中边缘和板件中心的残余应力分布情况不同，而切割槽一旦出现会导致同一切割槽方向的残余应力同时释放，相互干扰。由于大尺寸板件不同部位残余应力分布情况相较于小尺寸板件差异更大，这种情况在大尺寸板件中尤其严重，会大大影响所得结果的准确性。故而对大尺寸板件来说，采用步进式钻孔试验的盲孔法测量板件残余应力分布具有明显的工程应用意义。
(2)测量灵活精确，可以对特定位置的应力分布进行精确测量，且可以通过调整应变片的粘贴方向调整所测应力方向。
(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。
图3是应变片粘贴位置与方向的示意图。
图4是基于盲孔法的复合材料板材的残余应力测量的示意图。
图5是钻孔后盲孔周围残余应力沿深度分布的示意图。
图中：1复合材料板材；2数控钻孔机主轴；3钻头；4盲孔；5应变片；6数据线a；7静态应变测试仪；8数据线b；9计算机。
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4是基于步进钻孔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1的待测区域和方向，图2和图3展示了一种常见的试验方案，确定8个钻孔位置，板材一侧测量纵向应力一侧测量横向应力另外可根据需求自行确定钻孔位置和应变片粘贴方向。
(2)将待测区域中的第一次钻孔位置Ⅰ沿与应变片粘贴方向呈45°的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应变片5。粘贴应变片5时要保证应变片的中心与钻孔圆心位置相对应。
(3)将应变片5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)用数控钻孔机夹具将被测的复合材料板材1夹紧，确保钻孔过程中应变片5的数值变化均来自钻孔导致的残余应力重新分布带来的板材变形。
(5)使用数控钻孔机主轴2上的钻头3在板材粘贴应变片5的位置的背面进行步进钻孔，以固定的步进量对板材进行步进钻孔，钻孔的深度随要测量的深度要求而定。
(6)钻孔完成后获得随钻孔深度变化的应变值。对复合材料板材1的各个钻孔位置处重复相同的步骤。获取各位置处的各应变片5处随钻孔深度变化的应变值。
(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，模拟实际的钻孔过程，分别得到与试验中各钻孔位置处，与应变片5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(7)拟合出残余应力的分布。图5是钻孔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5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横向和纵向的应力分布。

Claims (5)

1.一种基于盲孔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步进钻孔试验，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两个部分，作为待测区域；在两侧对称区域需要测量的位置均匀分布一定数量的盲孔，相互对称的盲孔分别采取不同测量方向的应变片粘贴方式；
(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)用数控钻孔机夹具将被测的复合材料板材的端部夹紧，确保步进钻孔试验过程中应变片的数值变化均来自步进钻孔试验导致的残余应力重新分布而带来的复合材料板材变形；用数控钻孔机在复合材料板材上粘贴应变片的位置的背面进行步进钻孔，钻头圆心与应变片的中心重合，以固定的步进深度对复合材料板材进行多次步进钻孔，钻孔的深度根据测量的目的确定；
(4)钻孔完成后获得随钻孔深度变化的应变值，对复合材料板材的其他待测区域用上述方法依次进行步进钻孔试验，获取其他位置处的各应变片处随钻孔深度变化的应变值，用公式表示为：
ε(ai)＝εi (1)
其中，ai为第i次的钻孔深度，i为钻孔的次数，i＝1,2.....,n，ε(ai)表示钻孔深度为ai时测得的应变值，εi表示第i次钻孔的应变值；
第二步：对实验数据进行处理，获取随钻孔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，模拟实际的钻孔过程，具体如下：
(1)Cij表示当钻孔深度为ai、应力在深度方向上的函数为勒让德多项式pj(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：
Cij＝ε(a＝ai,σinitial(x)＝Pj(x)) (2)
其中，a为钻孔深度，x表示各钻孔深度数值，σinitial(x)为沿钻孔深度方向处的预应力函数表达式，pj(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Aj，公式为：
Figure FDA0002603294170000021
{A}为Aj组成的列向量，用公式表示为：
Figure FDA0002603294170000022
利用最小二乘法，{A}表示为：
{A}＝([C]T[C])-1[C]T{εmeas} (5)
其中，j是勒让德多项式的阶数，j＝2,3...,m；{εmeas}是由测得的应变值形成的列向量，用公式表达为：
Figure FDA0002603294170000023
[C]是由各应变值Cij组合形成的矩阵，用公式表示为：
Figure FDA0002603294170000024
(3)通过勒让德多项式拟合随钻孔深度变化的残余应力σ(x)，即求出一个应变片处的随钻孔深度变化的残余应力分布，σ(x)表达公式为：
Figure FDA0002603294170000031
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所述的基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，第一步的(3)中的钻孔的深超过复合材料板材厚度的一半。
3.根据权利要求1或2所述的基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，盲孔的数量依据复合材料板材的尺寸选定；在各个待测区域的盲孔背面打磨清洗，保证表面光滑无杂质后，在盲孔背面圆心位置粘贴应变片，每个盲孔对应位置的应变片与所要测量的残余应力方向相同。
4.根据权利要求1或2所述的基于盲孔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方向和盲孔位置对其他位置和方向进行相应的测量。
5.根据权利要求3所述的基于盲孔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方向和盲孔位置对其他位置和方向进行相应的测量。
CN202010731379.9A 2020-07-27 2020-07-27 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法 Withdrawn CN111855057A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010731379.9A CN111855057A (zh) 2020-07-27 2020-07-27 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010731379.9A CN111855057A (zh) 2020-07-27 2020-07-27 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111855057A true CN111855057A (zh) 2020-10-30

Family

ID=72947630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010731379.9A Withdrawn CN111855057A (zh) 2020-07-27 2020-07-27 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111855057A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112857638A (zh) * 2020-12-25 2021-05-28 湖南应用技术学院 一种钻孔测内应力设备及其测量方法
CN112985665A (zh) * 2021-02-08 2021-06-18 内蒙古工业大学 一种焊接残余应力自动检测装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1182480A (zh) * 1995-06-16 1998-05-20 罗伯特·博施有限公司 压力测量装置
CN102072877A (zh) * 2010-12-13 2011-05-25 清华大学 一种实时残余应力测量系统及方法
EP1936346B1 (de) * 2006-12-21 2011-07-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Eigenspannungsermittlung eines Prüfkörpers
CN102162755A (zh) * 2010-12-17 2011-08-24 罗键 一种基于反问题的残余应力检测方法
CN102608169A (zh) * 2012-03-01 2012-07-25 首钢总公司 一种测定盲孔法残余应力测试系统精度的方法
CN203772455U (zh) * 2014-02-21 2014-08-13 同济大学 残余应力测定用钻孔仪器
CN105784216A (zh) * 2016-03-07 2016-07-20 杭州华新检测技术股份有限公司 钢结构残余应力检测方法
CN109323791A (zh) * 2018-11-05 2019-02-12 大连理工大学 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
CN210280743U (zh) * 2019-04-12 2020-04-10 兰州交通大学 一种用于盲孔法测残余应力万向卡爪夹紧基座钻孔装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1182480A (zh) * 1995-06-16 1998-05-20 罗伯特·博施有限公司 压力测量装置
EP1936346B1 (de) * 2006-12-21 2011-07-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Eigenspannungsermittlung eines Prüfkörpers
CN102072877A (zh) * 2010-12-13 2011-05-25 清华大学 一种实时残余应力测量系统及方法
CN102162755A (zh) * 2010-12-17 2011-08-24 罗键 一种基于反问题的残余应力检测方法
CN102608169A (zh) * 2012-03-01 2012-07-25 首钢总公司 一种测定盲孔法残余应力测试系统精度的方法
CN203772455U (zh) * 2014-02-21 2014-08-13 同济大学 残余应力测定用钻孔仪器
CN105784216A (zh) * 2016-03-07 2016-07-20 杭州华新检测技术股份有限公司 钢结构残余应力检测方法
CN109323791A (zh) * 2018-11-05 2019-02-12 大连理工大学 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
CN210280743U (zh) * 2019-04-12 2020-04-10 兰州交通大学 一种用于盲孔法测残余应力万向卡爪夹紧基座钻孔装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高玉魁: "《残余应力基础理论及应用》", 31 July 2019 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112857638A (zh) * 2020-12-25 2021-05-28 湖南应用技术学院 一种钻孔测内应力设备及其测量方法
CN112857638B (zh) * 2020-12-25 2022-05-17 湖南应用技术学院 一种钻孔测内应力设备及其测量方法
CN112985665A (zh) * 2021-02-08 2021-06-18 内蒙古工业大学 一种焊接残余应力自动检测装置
CN112985665B (zh) * 2021-02-08 2022-04-29 内蒙古工业大学 一种焊接残余应力自动检测装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109323791B (zh) 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
Flaman et al. Determination of residual-stress variation with depth by the hole-drilling method
CN111855057A (zh) 基于盲孔法的复合材料板材的残余应力分布测量方法
CN104236768A (zh) 一种基于有限元校正系数的钻孔法测量残余应力的方法
Nau et al. Evaluation of the high-speed drilling technique for the incremental hole-drilling method
Yaldız et al. Design, development and testing of a turning dynamometer for cutting force measurement
CN108168774B (zh) 一种空间矢量力校准方法
CN105067167B (zh) 一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法
CN106124313A (zh) 混凝土及类似材料受压下综合变形性能的测试装置及方法
US6470756B1 (en) System and method for measuring residual stress
CN109900554A (zh) 一种利用压痕法计算断裂韧性的方法
CN115931965A (zh) 一种复合材料挖补胶接结构单面热压固化应力的评估方法
CN105588759A (zh) 一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法
CN103047939A (zh) 光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法
CN109490334B (zh) 一种运用残余应力预测模型的t字型锻件无损测试方法
Valentini et al. Recent advancements in the hole-drilling strain-gage method for determining residual stresses
CN112763345B (zh) 一种飞机翼面载荷校准区域加载试验方法
Trautner et al. Analytical and numerical development of the incremental core-drilling method of non-destructive determination of in-situ stresses in concrete structures
CN114397072B (zh) 一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法
Riccardella et al. A combined analytical-experimental fracture study
CN103808262A (zh) 多孔位产品孔位的模拟修模方法
CN110530706B (zh) 正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法
CN114878041B (zh) 一种利用双向超声探头测量在役油气管道应力的方法
JP3671195B2 (ja) 金型内部応力解析方法ならびに金型内部応力解析用モデル型製造方法
Chengalva et al. Effect of circuit board flexure on flip chips before underfill

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20201030