CN112304478A - 一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，包括以下步骤：(1)在材料试验机上进行铝合金材料应力松弛试验以及应力松弛本构参数求解；(2)基于有限元仿真软件，根据步骤(1)求解材料蠕变参数，进行热时效有限元仿真；(3)基于热时效仿真结果，分析模型“胞元”应力状态规律；(4)应用高精相机获各时段铝合金材料热时效实验热变形轮廓值；(5)应用ISIGHT建立以各“胞元”的初始应力为输入参数的优化迭代仿真模型，采用MATLAB检测热时效仿真模型轮廓；(6)以各时段仿真与实测的轮廓误差最小值为优化目标，多次优化迭代，得到作为最终的应力测量结果。本发明利用材料蠕变特性及轮廓法，完成金属材料测量板表面和内部残余应力场的检测。

Description

一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法

技术领域

本发明一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，主要是时效温度下金属材料应力松弛试验、蠕变过程数值仿真以及结合热变形轮廓视觉识别技术，实现对测试板件表面和内部应力场的全面检测，涉及工件残余应力测量技术领域。

背景技术

由于成形和热处理过程中非均匀的塑性变形、温度场及金属相变的作用，极易在零件表面或内部产生较大的残余应力。残余应力显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，不良的残余应力场将导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂、加工超差等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。因此，对残余应力进行精准评估和有效地调控，是目前工业制造过程中急需解决的难题。热时效往往是零件毛坯成形的最后一道工序，时效后的应力可以作为切削加工前的毛坯初始应力，对零件毛坯加工前残余应力的精确检测是对零件力学性能评估、加工变形和疲劳寿命预测的重要依据。将热变形视觉识别技术与金属材料蠕变实验及仿真技术相结合，提出一种用于测量零件表面和内部残余应力场的蠕变轮廓方法。

目前零件内部的残余应力尚无法得到有效地、低成本无损地检测，生产制造过程中，只能通过测量零件表面残余应力数据初步评估应力状态。

为了完成对零件表面和内部残余应力场的检测，结合成熟的轮廓法测量残余应力和机械结构件的热变形识别技术，提出了一种零件残余应力创新性的测试方法。

发明内容

1.、目的

本发明建立一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，在不影响生产效率的前提下，通过时效温度下的金属材料应力松弛试验、金属零件基于蠕变过程的热时效数值仿真、应用高精度的工业相机实现对金属零件热变形的精确检测以及采用集成优化稳健性设计软件ISIGHT，采用ISIGHT软件内的优化算法反复迭代有限元模型“胞元”内初应力大小，以各时间段仿真与实测的轮廓误差为迭代判断依据，寻找最优值，最终得到待测金属零件初始应力场，实现对零件应力场的全面评估。

2、技术方案

本发明采取了如下的技术方案：

(1)参照《GB/T 10120—2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将金属材料制成标准试样件，设置不同应力水平，在材料试验机上进行金属材料应力松弛试验，获得各应力水平下的应力松弛曲线；

(2)基于有限元软件，将几何模型划分为若干个小块作为“胞元”，以“胞元”初始应力场为输入条件，依据步骤(1)选择合适的金属材料蠕变型本构模型，在瞬态分析中，求解热时效过程中的应力和变形的演变规律；

(3)基于步骤(2)热时效的数值模拟结果，分析得到多组初始应力场下“胞元”的应力状态规律，建立部分“胞元”定量关系；

(4)基于熵函数和不变矩方法对高温材料的热变形视觉位移识别技术，应用视觉识别相机获得各时间段金属材料热时效实验热变形轮廓值；

(5)应用ISIGHT建立以各“胞元”的初始应力为输入参数的优化迭代仿真模型，同时采用MATLAB检测识别仿真模型轮廓，得到各时间段热时效仿真过程中应力值和热变形轮廓值；

(6)基于步骤(4)和(5)中金属材料热时效中实验轮廓数据和仿真轮廓数据，以各时间段仿真与实测的轮廓误差最小值设置为优化目标，并将最优初始应力场及其计算得到随时间变化的应力场序列，作为最终的应力测量结果。

以上技术方案中，所述步骤(1)中金属材料时效应力松弛本构模型如

对应力松弛曲线进行曲线拟合，确定金属材料热时效过程应力松弛参数，其中，A、n、m为材料参数，E为材料的弹性模量，ε₀为总应变。

以上技术方案中，所述步骤(2)依据应力松弛看作是应力不断降低时的多级蠕变，如选择典型的蠕变本构模型

代替金属应力松弛本构模型，再根据材料应力松弛应变率与蠕变应变率关系式

采用微软集成开发环境Visual Studio求解确定金属的材料蠕变参数，采用有限元软件ANSYS中瞬态动力学模块进行金属材料的热时效仿真，其中，C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数，T为绝对温度值。

以上技术方案中，所述步骤(3)热时效有限元数值分析结果，分析零件在热时效过程中的应力和变形的演化规律，初步标定零件热时效的变形大小和规律，同时，找到有限元模型各“胞元”间的应力规律，并对部分“胞元”建立定量关系，从而减小计算所需的设计变量。

以上技术方案中，所述步骤(4)不变矩作为一种局部不变特征，其平移、旋转、尺度不变的特性使其在目标识别领域应用广泛，高温环境就是其中之一，而熵函数可以作为图像之间的相似性比较的定量描述，利用熵函数和不变矩特征对高温材料的热变形位移进行更加精准的测量。

以上技术方案中，所述步骤(5)ISIGHT软件联合ANSYS批处理APDL命令程序建立优化迭代模型。

其中，以视觉识别的热变形轮廓为基准，将零件的热时效前的残余应力场分布作为设计变量，通过优化迭代计算，使仿真计算得到的热时效过程各时刻的零件轮廓，逐渐接近实测值，并将使仿真与实测误差最小的应力演变序列，作为最终的残余应力场测试结果。

其中，所述金属材料是所有金属家族的材料，也包括其它具有显著蠕变松弛性能的金属材料。

3、优点及效果

现有的残余应力检测方法，都无法在生产制造中对零件内部残余应力进行有效地检测。本方法将传统的轮廓法与材料蠕变数值仿真技术、热变形视觉识别技术相结合，提出一种新的蠕变轮廓残余应力检测方法，在时效处理的同时，应用该方法可以实现对零件表面和内部应力场的全面检测，可以进行工程实际应用。

附图说明

图1为一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法的流程图；

图2为一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法的设备示意图(隐藏加热炉外罩)；

图3为一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法的相机隔热装置；

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明作详细说明。

本发明提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其残余应力测试流程如图1所示，发明具体步骤如下：

(1)参照《GB/T 10120—2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将金属材料制成标准试样件，设置不同应力水平，在材料试验机上进行金属材料应力松弛试验，获得各应力水平下的应力松弛曲线；

(2)基于有限元软件，将几何模型划分为若干个小块作为“胞元”，以“胞元”初始应力场为输入条件，依据步骤(1)选择合适的金属材料蠕变型本构模型，在瞬态分析中，求解热时效过程中的应力和变形的演变规律；

(3)基于步骤(2)热时效的数值模拟结果，分析得到多组初始应力场下“胞元”的应力状态规律，建立部分“胞元”定量关系；

(4)基于熵函数和不变矩方法对高温材料的热变形视觉位移识别技术，应用视觉识别相机获得各时间段金属材料热时效实验热变形轮廓值；

(5)应用ISIGHT建立以各“胞元”的初始应力为输入参数的优化迭代仿真模型，同时采用MATLAB检测识别仿真模型轮廓，得到各时间段热时效仿真过程中应力值和热变形轮廓值；

(6)基于步骤(4)和(5)中金属材料热时效中实验轮廓数据和仿真轮廓数据，以各时间段仿真与实测的轮廓误差最小值设置为优化目标，并将最优初始应力场及其计算得到随时间变化的应力场序列，作为最终的应力测量结果。

应力松弛可看作是应力不断降低时的多级蠕变，选取幂指数形式的应变硬化模型来推导出应力松弛本构方程，进而描述材料的应力松弛行为。应变硬化本构方程如下：

式(1)中A、n、m为材料参数，E为材料的弹性模量，ε₀为总应变。

选择典型的蠕变本构模型可较好的描述金属材料实际热时效流变应力变化，蠕变本构模型如：

式(2)中C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数，T为绝对温度值。

其中，所述步骤(2)依据应力松弛看作是应力不断降低时的多级蠕变，在有限元软件中仅有材料的蠕变模型，根据材料应力松弛应变率与蠕变应变率关系式

据此根据式(1)应力松弛本构方程确定式(2)蠕变本构参数及方程。

其中，根据步骤(3)热时效有限元数值分析结果，分析零件在热时效过程中的应力和变形的演化规律，初步标定零件热时效的变形大小和规律，同时，找到有限元模型各“胞元”间的应力规律，并对部分“胞元”建立定量关系，从而减小计算所需的设计变量。

其中，根据步骤(4)不变矩作为一种局部不变特征，其平移、旋转、尺度不变的特性使其在目标识别领域应用广泛，高温环境就是其中之一，而熵函数可以作为图像之间的相似性比较的定量描述，利用熵函数和不变矩特征对高温材料的热变形位移进行更加精准的测量。

其中，根据步骤(4)，图2为申请人团队改造现有应力均化实验平台，设计提出的设备示意图，主要是利用放置在工件上方、前方、左侧的相机以进行全方位的拍摄取照，获得热时效实验热变形轮廓值。

其中，根据步骤(4)，图3为申请人团队提出的方形盒状结构相机隔热装置，保证相机在高温热时效下正常工作，其中相机拍照一侧外部由耐高温玻璃与隔热玻璃组成，内部采用石棉隔热材料，防止相机热时效辐射损伤及保证相机光线的透过率，隔热装置的另外五面外层均由涂刷隔热涂层的钢制薄板组成，可有效隔绝热时效设备中的高温，保证相机正常工作。

其中，根据步骤(5)ISIGHT软件联合ANSYS批处理APDL命令程序建立优化迭代模型。

其中，以视觉识别的热变形轮廓为基准，将零件的热时效前的残余应力场分布作为设计变量，通过优化迭代计算，使仿真计算得到的热时效过程各

时刻的零件轮廓，逐渐接近实测值，并将使仿真与实测误差最小的应力演变序列，作为最终的残余应力场测试结果。

Claims (10)

1.一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)参照《GB/T 10120—2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将金属材料制成标准试样件，设置不同应力水平，在材料试验机上进行金属材料应力松弛试验，获得各应力水平下的应力松弛曲线；

(2)基于有限元软件，将几何模型划分为若干个小块作为“胞元”，以“胞元”初始应力场为输入条件，依据步骤(1)选择合适的金属材料蠕变型本构模型，在瞬态分析中，求解热时效过程中的应力和变形的演变规律；

(3)基于步骤(2)热时效的数值模拟结果，分析得到多组初始应力场下“胞元”的应力状态规律，建立部分“胞元”定量关系；

(4)基于熵函数和不变矩方法对高温材料的热变形视觉位移识别技术，应用视觉识别相机获得各时间段金属材料热时效实验热变形轮廓值；

(5)应用ISIGHT建立以各“胞元”的初始应力为输入参数的优化迭代仿真模型，同时采用MATLAB检测识别仿真模型轮廓，得到各时间段热时效仿真过程中应力值和热变形轮廓值；

(6)基于步骤(4)和(5)中金属材料热时效中实验轮廓数据和仿真轮廓数据，以各时间段仿真与实测的轮廓误差最小值设置为优化目标，并将最优初始应力场及其计算得到随时间变化的应力场序列，作为最终的应力测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于所述金属材料是所有具有显著蠕变松弛性能的金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于应用蠕变轮廓方法测量金属试件表面和内部残余应力。

4.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于根据所述步骤(1)选择的金属材料时效应力松弛本构模型如

在有限元软件中仅有材料的蠕变模型，而应力松弛看作是应力不断降低时的多级蠕变，所以，所述步骤(2)金属材料有限元模型选择典型的蠕变本构模型如

再根据材料应力松弛应变率与蠕变应变率关系式

应用蠕变本构模型代替金属材料热时效数值分析过程，其中，A、n、m为材料参数，E为材料的弹性模量，ε₀为总应变，C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数，T为绝对温度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于所述步骤(1)选择的本构函数是基于金属材料应力松弛试验数据进行曲线拟合、宏细观耦合本构模型。

6.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于所述步骤(2)金属材料使用的第一阶段应变强化蠕变模型，可用微软集成开发环境VisualStudio求解金属材料蠕变模型相应参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于有限元软件包括但不限定于ANSYS应用于金属材料的热时效数值分析。

8.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于有限元模型划分的“胞元”，分割“胞元”数与需要测量得到的应力数据条数成正比，针对不同“胞元”的平均应力值，开展多元回归分析，设定相关系数准则，筛选出相关程度较高的“胞元”，并建立相关度较高的“胞元”应力之间的定量关系，从而减小后续迭代计算所需的设计变量数量，提高应力检测效率。

9.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于所述步骤(4)中采用高精度视觉识别相机，应用熵函数和不变矩特征的图像识别算法获得金属热时效的热变形位移测量值，保证变形视觉轮廓识别精度。

10.根据权利要求1所述的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，其特征在于最终的应力测量结果是应用ISIGHT软件及内部的优化算法多次迭代有限元模型“胞元”应力，记录各时间段仿真与实测的轮廓误差e_n，使得e_n为最小值，从而得到最优的初始应力场序列。

Images