CN112036059A - 一种基于盲孔法检测工作应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于盲孔法检测工作应力的方法，属于应力检测技术领域，包括以下步骤：建立应变释放系数与释放应变的数学关系式，通过有限元方法计算应变释放系数理论值；在被测构件表面钻盲孔并测量第一释放应变；对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，得到第一修正应变释放系数；对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，得到第二修正应变释放系数；根据被测构件的应力情况和受载情况计算工作应力。本申请提供的基于盲孔法检测工作应力的方法具有检测效率高、精度高的优点。

Description

一种基于盲孔法检测工作应力的方法
技术领域
本申请涉及应力检测技术领域，尤其涉及一种基于盲孔法检测工作应力的方法。
背景技术
盲孔法是一种常用的应力检测方法，其具有对工件损伤小、不影响工件的性能、简单易行等特点，目前在工程中工作应力测量方面得到广泛应用。
盲孔法的原理是在工件表面测量部位粘贴平面三向应变花，然后钻一个直径和深度约为2mm的小孔，从而引起周围应力场发生变化，通过测量开孔前后三个方向的释放应变，按下列公式即可计算出所测部位的应力：
Figure BDA0002610131020000011
Figure BDA0002610131020000012
Figure BDA0002610131020000013
其中：σ1、σ2分别为最大、最小主应力；θ为最大主应力与水平应变片参考轴的夹角；E为被测材料的弹性模量；ε1、ε2、ε3分别为相应的各应变片钻孔后产生的释放应变；A、B为两个应变释放系数。
目前，采用盲孔法测量工件的工作应力时，应变释放系数A、B需要通过试验标定来确定，需要花费较长的时间，而应变释放系数A、B与盲孔的几何尺寸、应变片尺寸和材料的本构关系、屈服准则、强化模型等因素有关。在高应力状态下，工作应力的测量精度与孔边塑性应变有关。并且，测量应力时需要进行加载状态下钻孔，此时钻孔加工应变也会影响测量的精度。
针对上述中的相关技术，发明人认为已有的采用盲孔法检测工作应力的方法存在测量精度低的缺陷。
发明内容
为了改善相关技术中已有的采用盲孔法检测工作应力的方法存在的测量精度低的问题，本申请提供一种基于盲孔法检测工作应力的方法。
本申请提供的基于盲孔法检测工作应力的方法采用如下的技术方案：
一种基于盲孔法检测工作应力的方法，包括以下步骤：
S1:建立应变释放系数与释放应变的数学关系式，通过有限元方法计算应变释放系数理论值；
S2:在被测构件表面钻盲孔并测量第一释放应变；
S3:对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，得到第一修正应变释放系数；
S4:对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，得到第二修正应变释放系数；
S5:根据被测构件的应力情况和受载情况计算工作应力。
通过采用上述技术方案，可以对应变释放系数进行孔边塑性应变修正和钻孔加工应变修正，提高被测构件工作应力的检测精度。
优选的，步骤S3中对应变释放系数进行孔边塑性应变修正包括以下步骤：
S3-1:针对无初始工作应力的试样，采用常规标定方法标定应变释放系数；
S3-2:确定步骤S3-1中检测的释放应变与形状改变比能的数学关系式；
S3-3:当试样的应力大于屈服应力的1/3时，对步骤S3-1中确定的应变释放系数与步骤
S3-2中的形状改变比能进行线性拟合，得到第一修正应变释放系数与形状改变比能的数学关系式；
S3-4:根据步骤S3-3确定的到第一修正应变释放系数与形状改变比能的数学关系式，将第一释放应变代入得到对应的第一修正应变释放系数。
通过采用上述技术方案，可以对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，满足高应力条件下的工作应力检测的精度要求。
优选的，步骤S4中对应变释放系数进行钻孔加工应变修正包括以下步骤：
S4-1:针对无初始工作应力的试样，分别采用常规标定方法和加载状态下钻孔测量的方法测量释放应变，将采用两种方法测量的释放应变作差得到钻孔加工应变；
S4-2:对钻孔加工应变和加载状态下的释放应变进行线性拟合，得到钻孔加工应变与释放应变的数学关系式；
S4-3:根据步骤S4-2得到的钻孔加工应变与释放应变的数学关系式，计算第一释放应变对应的第一钻孔加工应变，在第一释放应变中减去第一钻孔加工应变得到第一修正释放应变，根据第一修正释放应变计算第二修正应变释放系数。
通过采用上述技术方案，可以对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，满足受载条件下的工作应力检测的精度要求。
优选的，步骤S5中计算被测构件的工作应力包括以下步骤
S5-1:根据步骤S1计算得到的应变释放系数理论值和步骤S2测量的第一释放应变计算被测构件的工作应力粗算值；
S5-2:判断工作应力粗算值与被测构件的屈服应力的关系；
S5-3:当工作应力粗算值大于被测构件的屈服应力的1/3时，根据第一释放应变计算第一修正应变释放系数并计算被测构件的工作应力；
S5-4:当工作应力粗算值小于或等于被测构件的屈服应力的1/3时，判断被测构件的受载情况，若被测构件不受载，则步骤S5-1得到的工作应力粗算值可作为被测构件的工作应力；若被测构件受载，根据第二修正应变释放系数与第一释放应变计算被测构件的工作应力。
通过采用上述技术方案，可以根据被测构件的应力情况和受载情况计算其工作应力，提高工作应力检测精度。
优选的，释放应变与形状改变比能的数学关系式通过以下公式推导获得：
[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]＝C
σx 2-σxσy+σy 2＝σs 2
εx＝(σx-μσy)/E
εy＝(σy-μσx)/E
σx 2-σxσy+σy 2＝S[E/(1-μ2)]2
S＝(1-μ+μ2)(εx 2+εy 2)-(1-4μ+μ2)εxεy
式中：σ1、σ2、σ3为被测点三个方向的应力分量，C和S为形状改变比能；σx和σy为主应力方向的应力；εx和εy为主应力方向的应变；μ为泊松比；E为材料的弹性模量。
通过采用上述技术方案，可以推导获得释放应变与形状改变比能的数学关系，通过释放应变可计算形状改变比能，便于形状改变比能与应变释放系数进行拟合。
优选的，释放应变与钻孔加工应变呈线性关系。
通过采用上述技术方案，可以通过释放应变快速计算钻孔加工应变，以提高应变释放系数修正的效率。
优选的，第一释放应变通过在被测构件表面粘贴三向应变片进行测量。
通过采用上述技术方案，可以测量被测构件钻盲孔后的各方向上的释放应变。
优选的，三向应变片分别位于直角的0°、45°和90°位置。
通过采用上述技术方案，测量得到的释放应变数据便于后续处理和计算。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过有限元计算的方法可以快速计算应变释放系数，降低了现场试验标定的成本；
2.对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，提高了被测构件高应力状态下工作应力的检测精度；
3.对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，提高了被测构件受载状态下工作应力的检测精度。
附图说明
图1是本申请实施例的基于盲孔法检测工作应力的方法的应变片粘贴方法示意图；
图2是本申请实施例的基于盲孔法检测工作应力的方法的应变释放系数与形状改变比能的拟合曲线图；
图3是本申请实施例的基于盲孔法检测工作应力的方法的钻孔加工应变与释放应变的拟合曲线图。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种基于盲孔法检测工作应力的方法，包括以下步骤：
S1:建立应变释放系数与释放应变的数学关系式，通过有限元方法计算应变释放系数理论值；
S2:在被测构件表面钻盲孔并测量第一释放应变；
S3:对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，得到第一释修正应变释放系数；
S4:对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，得到第二修正应变释放系数；
S5:根据被测构件应力情况和受载情况计算工作应力。
对于步骤S1，参照图1，在平面应力状态下的构件表面钻一个直径为d、深度为h的盲孔，盲孔周围释放的径向正应变εr是关于构件主应力σ1，σ2和测点相对盲孔位置的函数，其释放应变计算公式为：
Figure BDA0002610131020000051
其中:εr为钻孔后的释放应变；σ1，σ2为贴片处构件主应力；α为εr与主应力方向的夹角；E为构件材料的弹性模量。
对于按照图1所示方法粘贴应变片的单向受压构件，设σ1＝σ，σ2＝0，推导可得应变释放系数与释放应变的数学关系式：
Figure BDA0002610131020000052
Figure BDA0002610131020000053
其中：ε1，ε3为钻孔后与钻孔前应变片位置对应的应变值之差，应变值之差即为释放应变。
针对图1所示的盲孔与应变片粘贴方式进行有限元建模计算。对计算模型施加一定的载荷，取完整构件模型的单元应变均值作为钻孔前应变值，取钻孔后的模型相同位置单元应变均值作为钻孔后的应变，二者之差即为释放应变，代入应变释放系数与释放应变的数学关系式即可求得应变释放系数的理论值。对于低应力、不受载的被测构件，通过有限元计算释放应变，避免了现场试验标定应变释放系数的成本，提高了检测效率。
对于步骤S2，参照图1所示的方法，在被测构件表面粘贴三向应变片后，在三向应变片的轴线交点处(即应变花的中心)钻直径为d、深度为h的盲孔，测量第一释放应变。三个应变片分别位于直角的0°、45°和90°位置，可同时测量三个方向上的释放应变，便于后续进行数据处理和计算。
对于步骤S3，对应变释放系数进行孔边塑性应变修正包括以下步骤：S3-1:针对无初始工作应力的试样，采用常规标定方法标定应变释放系数。常规标定方法为本领域技术人员常用的标定方法，此处简要说明，不详细赘述。常规标定方法通过在试样上粘贴垂直应变花，对试样施加恒定的轴向应力，测量打孔前和打孔后的应变值并计算出释放应变，将释放应变代入应变释放系数与释放应变的数学关系式即可计算出对应的应变释放系数。
S3-2:确定步骤S3-1中检测的释放应变与形状改变比能的数学关系式。
在塑性力学中，Mises屈服条件可表示为：
[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]＝C
其中，σ1、σ2、σ3为被测点三个方向的应力分量；C为材料屈服常数。
结合材料力学中的形状改变比能理论可知，上式左端即为形状改变比能。上式的物理意义是：当材料的形状改变比能达到极限时即发生屈服。对于盲孔法问题，只考虑平面应力，σ3＝0，则Mises屈服条件变为：
σx 2-σxσy+σy 2＝σs 2
其中，σx和σy为主应力方向的应力；σs为材料的屈服应力。
考虑广义胡克定律：εx＝(σx-μσy)/E，εy＝(σy-μσx)/E，则上式可以写为：
σx 2-σxσy+σy 2＝S[E/(1-μ2)]2
S＝(1-μ+μ2)(εx 2+εy 2)-(1-4μ+μ2)εxεy
其中，εx和εy为主应力方向的释放应变；μ为泊松比；E为材料的弹性模量；S为相应应力状态下的形状改变比能。
根据上式，当形状改变比能S达到极限Sy时，孔边开始发生塑性变形。
将S3-1步骤中依据常规标定方法得到的释放应变代入上式，可计算出相应应力状态下的形状改变比能S。
S3-3:当试样的应力大于屈服应力的1/3时，将步骤S3-1中确定的应变释放系数与步骤S3-2中的形状改变比能进行线性拟合，得到第一修正应变释放系数与形状改变比能的关系。
参照图2，以长度为500mm、宽度为50mm、厚度为10mm的Q345钢种试样为例，在盲孔直径d＝1.5mm、深度h＝2mm，应变片格栅心与钻孔中心相距4.1mm的测量条件下，Sy约为700×10-12，通过线性拟合得到第一修正应变释放系数A1和B1与形状改变比能S的数学关系式为:
A1＝-868329S-0.0125(S>Sy)
B1＝-1769840S-0.0356(S>Sy)
其中，屈服应力的1/3与形状改变比能极限Sy对应。
S3-4:根据步骤S3-3确定的到第一修正应变释放系数与形状改变比能的数学关系式，将第一释放应变代入得到对应的第一修正应变释放系数。
由此，当被测构件的工作应力大于材料屈服应力的1/3时，可采用第一修正应变释放系数计算被测构件的工作应力，达到对孔边塑性应变进行修正的目的，提高被测构件工作应力的检测精度。
对于步骤S4，对应变释放系数进行钻孔加工应变修正包括以下步骤：S4-1:针对无初始工作应力的试样，分别采用常规标定方法和加载状态下钻孔测量的方法测量释放应变，将采用两种方法测量的释放应变作差得到钻孔加工应变。
S4-2:对钻孔加工应变和加载状态下的释放应变进行线性拟合，得到钻孔加工应变与释放应变的数学关系式。
S4-3:根据步骤S4-2得到的钻孔加工应变与释放应变的数学关系式，计算第一释放应变对应的第一钻孔加工应变，在第一释放应变中减去第一钻孔加工应变得到第一修正释放应变，根据第一修正释放应变计算第二修正应变释放系数。
在步骤S4中，加载状态下的释放应变减去钻孔加工应变即可得到第一修正释放应变，将第一修正释放应变代入应变释放系数与释放应变的数学关系式即可得到第二修正应变释放系数。
钻孔加工应变和释放应变呈线性关系，可以采用如下的一次函数表示：
εd＝aΔε+b
其中，εd为钻孔加工应变；Δε为释放应变；a、b为测量系数，与孔径、孔深等钻孔参数和被测材料有关。
由此，根据钻孔时测得的释放应变计算出相应的钻孔加工应变并修正，可以满足实际工程应用中在不同应力状态下进行钻孔测量工作应力的要求。
参照图3，以长度为500mm、宽度为50mm、厚度为10mm的Q345钢种试样为例，在盲孔直径d＝1.5mm、深度h＝2mm，应变片格栅心与钻孔中心相距4.1mm的测量条件下，钻孔加工应变与释放应变的关系如图3所示，其拟合函数为：
εd＝0.2381Δε-0.0576
由此，对于受载的Q345钢种构件，若在其表面钻的盲孔直径d＝1.5mm、深度h＝2mm，应变片格栅心与钻孔中心相距为4.1mm，可将测得的第一释放应变代入上式进行修正得到第一修正释放应变，将第一修正释放应变代入应变释放系数与释放应变的数学关系式即可得到第二修正应变释放系数。
在得到上述的应变释放系数理论值、第一修正应变释放系数以及第二修正应变释放系数后，可通过步骤S5计算被测构件的工作应力。
对于步骤S5，计算被测构件的工作应力包括以下步骤：
S5-1:根据步骤S1计算得到的应变释放系数理论值以及步骤S2测量的第一释放应变计算被测构件的工作应力粗算值；
S5-2:判断工作应力粗算值与被测构件的屈服应力的关系，通过判断可确定应变释放系数的修正方法；
S5-3:当工作应力粗算值大于被测构件屈服应力的1/3时，根据第一释放应变计算第一修正应变释放系数并计算被测构件的工作应力；
S5-4:当工作应力粗算值小于或等于被测构件屈服应力的1/3时，判断被测构件的受载情况，若被测构件不受载，则步骤S5-1得到的工作应力粗算值可作为被测构件的工作应力；若被测构件受载，根据第二修正应变释放系数与第一释放应变计算被测构件的工作应力。
在步骤S5-3中，将根据第一释放应变计算得到的第一修正应变释放系数以及第一释放应变代入工作应力计算公式即可得到被测构件在高应力状态下的工作应力。
在步骤S5-4中，当被测构件不受载时，钻孔加工应变可以忽略，因此可将有限元计算方法得到的应变释放系数理论值以及第一释放应变代入工作应力计算公式得到被测构件的工作应力，即工作应力粗算值；当被测构件受载时，可通过第一释放应变计算出对应的钻孔加工应变，将第一释放应变减去钻孔加工应变后得到第一修正释放应变，根据第一修正释放应变计算对应的第二修正应变释放系数，再将第二修正应变释放系数以及第一释放应变代入工作应力计算公式得到被测构件的工作应力。
可选的，在本申请提供的基于盲孔法检测工作应力的方法中，对于互不干涉的步骤可以进行顺序调整，例如可以将步骤S3和S4顺序互换。
下面以5个试样的试验数据对本申请的基于盲孔法检测工作应力的方法的效果进行举例说明。
5个试样的长度为500mm、宽度为50mm、厚度为10mm，采用Q345钢种，盲孔直径d＝1.5mm、深度h＝2mm，应变片格栅心与钻孔中心相距4.1mm，表中实测值为通过拉压试验机沿着试件轴向方向施加的单向应力，计算值为通过对应变释放系数进行修正后计算得到的试件工作应力。
Figure BDA0002610131020000091
Figure BDA0002610131020000101
通过以上数据分析可知，修正了孔边塑性应变和钻孔加工应变之后，工作应力测量的平均误差减小到4％以下，最大误差减小到7％以下，显著提高了盲孔法检测工作应力的测量精度。
本申请提供的基于盲孔法检测工作应力的方法，通过有限元计算的方法可以快速计算应变释放系数，降低了现场试验标定的成本；对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，提高了被测构件高应力状态下工作应力的检测精度；对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，提高了被测构件受载状态下工作应力的检测精度。
以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：包括以下步骤
S1:建立应变释放系数与释放应变的数学关系式，通过有限元方法计算应变释放系数理论值；
S2:在被测构件表面钻盲孔并测量第一释放应变；
S3:对应变释放系数进行孔边塑性应变修正，得到第一修正应变释放系数；
S4:对应变释放系数进行钻孔加工应变修正，得到第二修正应变释放系数；
S5:根据被测构件的应力情况和受载情况计算工作应力。
2.根据权利要求1所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：步骤S3中对应变释放系数进行孔边塑性应变修正包括以下步骤
S3-1:针对无初始工作应力的试样，采用常规标定方法标定应变释放系数；
S3-2:确定步骤S3-1中检测的释放应变与形状改变比能的数学关系式；
S3-3:当试样的应力大于屈服应力的1/3时，对步骤S3-1中确定的应变释放系数与步骤S3-2中的形状改变比能进行线性拟合，得到第一修正应变释放系数与形状改变比能的数学关系式；
S3-4:根据步骤S3-3确定的到第一修正应变释放系数与形状改变比能的数学关系式，将第一释放应变代入得到对应的第一修正应变释放系数。
3.根据权利要求1所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：步骤S4中对应变释放系数进行钻孔加工应变修正包括以下步骤
S4-1:针对无初始工作应力的试样，分别采用常规标定方法和加载状态下钻孔测量的方法测量释放应变，将采用两种方法测量的释放应变作差得到钻孔加工应变；
S4-2:对钻孔加工应变和加载状态下的释放应变进行线性拟合，得到钻孔加工应变与释放应变的数学关系式；
S4-3:根据步骤S4-2得到的钻孔加工应变与释放应变的数学关系式，计算第一释放应变对应的第一钻孔加工应变，在第一释放应变中减去第一钻孔加工应变得到第一修正释放应变，根据第一修正释放应变计算第二修正应变释放系数。
4.根据权利要求1所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：步骤S5中计算被测构件的工作应力包括以下步骤
S5-1:根据步骤S1计算得到的应变释放系数理论值和步骤S2测量的第一释放应变计算被测构件的工作应力粗算值；
S5-2:判断工作应力粗算值与被测构件的屈服应力的关系；
S5-3:当工作应力粗算值大于被测构件的屈服应力的1/3时，根据第一释放应变计算第一修正应变释放系数并计算被测构件的工作应力；
S5-4:当工作应力粗算值小于或等于被测构件的屈服应力的1/3时，判断被测构件的受载情况，若被测构件不受载，则步骤S5-1得到的工作应力粗算值可作为被测构件的工作应力；若被测构件受载，根据第二修正应变释放系数与第一释放应变计算被测构件的工作应力。
5.根据权利要求2所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：所述释放应变与形状改变比能的数学关系式通过以下公式推导获得
[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]＝C
σx 2-σxσy+σy 2＝σs 2
εx＝(σx-μσy)/E
εy＝(σy-μσx)/E
σx 2-σxσy+σy 2＝S[E/(1-μ2)]2
S＝(1-μ+μ2)(εx 2+εy 2)-(1-4μ+μ2)εxεy
式中：σ1、σ2、σ3为被测点三个方向的应力分量，C为材料屈服常数；S为形状改变比能；σx和σy为主应力方向的应力；εx和εy为主应力方向的释放应变；μ为泊松比；E为材料的弹性模量。
6.根据权利要求3所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：所述释放应变与所述钻孔加工应变呈线性关系。
7.根据权利要求1所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：所述第一释放应变通过在被测构件表面粘贴三向应变片进行测量。
8.根据权利要求7所述的基于盲孔法检测工作应力的方法，其特征在于：所述三向应变片分别位于直角的0°、45°和90°位置。
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