CN112924065A - 一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，包括以下步骤：所述曲面包括凸球面和凹球面，所述方法包括以下步骤：分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，根据钻孔模拟过程中得到的敏感栅范围内所有节点的应变数据，得到应变释放系数a,b的表达式；根据应变释放系数a,b的表达式得到0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式；利用盲孔法测量残余应力沿着0°、45°和90°三个方向的应变，根据每条应变方向插值算出对应的应变释放系数a,b的值，然后根据三向残余应力应力应变关系式即可分别得到在0°、45°和90°三个方向上的残余应力。本发明可以提高曲面时残余应力测量的精确度。

Description

一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，尤其是一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法。

背景技术

盲孔法测量残余应力由于其较高的精度和近乎无损的测量过程，在实际生产中广泛应用，以监测工件关键部位的残余应力水平。盲孔法从1934年被德国学者Mather提出以来，近年得益于计算机数值模拟技术，测量和计算过程愈发成熟。

中国专利申请“一种焊接转子残余应力的测量方法(CN201210458024.2)”中提供了的测量方法包括步骤：1)测量试样内外表面的残余应力，然后在试样正反面各加工矩形槽，测量矩形槽底面的残余应力，重复在矩形槽底面加工矩形槽并测量其底面的残余应力直至总的测量深度大于试样壁厚的0.5倍；2)对步骤1)得到的结果进行对称分布处理，得到其残余应力，最后将得到整个试样的残余应力用等值线绘制成残余应力分布云图。但现有测量方法没有考虑被测表面形状带来的影响，尽管包括焊缝、管壁等常见被测面都是非平面的。盲孔法测量的是小孔范围内的应力，曲面上钻孔与平面的差异不大，但应变片测量的是外表面的应变，形状因素直接改变了测量范围，因此有必要对此进行定量的研究。

发明内容

为了克服现有的残余应力测量方法的不足，本发明提供了一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法。

为了实现本发明目的，本发明提供一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，包括以下步骤：

分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，根据钻孔模拟过程中得到的敏感栅范围内所有节点的应变数据，得到应变释放系数a,b的表达式；

根据应变释放系数a,b的表达式得到0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式；

利用盲孔法测量残余应力沿着0°、45°和90°三个方向的应变，根据每条应变方向插值算出对应的应变释放系数a,b的值，然后根据三向残余应力应力应变关系式即可分别得到在0°、45°和90°三个方向上的残余应力。

进一步地，所述分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，根据钻孔模拟过程中得到的敏感栅范围内所有节点的应变数据和D_h与钻深h的关系式分别得到应变释放系数a,b的表达式，具体包括：

在软件ANSYS中分别建立凹、凸球面三种模型，并对每个模型进行网格划分；

输入材料参数，设置边界条件；

通过inistate命令在模型各节点上加载初始应力，以预设的下钻速度依次令每组单元刚度为0；

通过后处理POST1模块获得敏感栅范围内所有节点的应变数据，结合测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式，得到应变释放系数a,b的表达式如下：

式中，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比，ε₁、ε₃分别为x,y方向上面积内的平均应变。

进一步地，所述分别建立凹、凸球面三种模型中，凹凸球面各建立了多个不同曲率半径的模型，且每个模型仅建立1/4对称的模型。

进一步地，所述预设的下钻速度为0.1mm每单位时间。

进一步地，所述0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式如下：

式中，ε₀、ε₄₅、ε₉₀分别为0°、45°和90°三个方向的残余应力，σ₁为该曲面上最大主应力,σ₃为该曲面上最小主应力；E为材料的弹性模量；μ为材料的泊松比；θ为0°与最大主应力顺时针方向的夹角。

进一步地，还包括步骤：分别建立凸球面和凹球面下测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式。

进一步地，当曲面为凹球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当曲面为凸球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当h＜h₁时，

当h₁≤h＜h₂时，

当h₂≤h时，

式中，

R为球面曲率半径，h₁、h₂表示钻孔的深度，r₁表示敏感栅到应变片中心最近距离，r₂表示敏感栅到应变片中心最远距离,c为钻孔点，即敏感栅中点。

进一步地，还包括用于验证的平面模型。

进一步地，平面模型中，测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式如下：

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

本发明考虑被测表面形状带来的影响，通过建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，通过有限元分析得到曲面下的应变释放系数a,b的表达式；并通过盲孔法得到各个沿着0°、45°和90°三个方向的应变，结合应变释放系数a,b的表达式和三向残余应力应力应变关系式即可准确得到曲面下的残余应力，大大提高了曲面时残余应力测量的精确度。

附图说明

图1是本发明实施例中平面模型时各参数的示意图。

图2是本发明实施例中凹凸球面模型时各参数的示意图。

图3是本发明实施例中凹凸球面模型的网格划分示意图。

图4是本发明实施例中平面模型时的钻孔后应力分布的模拟结果图。

图5是本发明实施例中凹球面模型和凸球面模型在不同曲率半径下系数a的估值示意图。

图6是本发明实施例中凹球面模型和凸球面模型在不同曲率半径下系数b的估值示意图。

具体实施方式

为了便于理解，以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例提供的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，分别得到应变释放系数a,b的表达式。应变释放系数a,b反映着该几何情况下的应变释放水平，随着钻深h的改变，测量位置与应力释放孔边处的距离D_h也在变化，随着D_h的增加，钻深的a,b系数增速减缓。

本步骤中，建立三维模型，进行三维弹性有限元数值模拟，获得a,b系数与钻深、工件厚度间的关系，采用ANSYS模拟曲面模型的钻孔过程，通过数值分析获得曲面模型的曲率R与a,b系数的关系，具体包括：

步骤1.1：建立曲面模型，划分网格。

分别建立凹和凸球面三种模型，凹球面模型、凸球面模型各建立了曲率半径为4、6、8、20、100mm的模型。由于钻孔模型具有对称性，仅建立1/4对称的模型，1/4的模型尺寸设为20mm x 20mm。采用六面体8节点的固体结构单元SOLID185划分网格。

步骤1.2：输入材料参数，设置边界条件。

以钻孔位置为原点，Z轴为钻孔的方向，XOY为垂直于Z轴的平面，令yoz面上所有节点的x方向位移为0，即孔对称面上，令xoz面上所有节点的y方向位移为0，令坐标原点(0,0,0)处的位移为0。

步骤1.3：模拟加载过程。

通过inistate命令在模型各节点上加载-100MPa的初始应力，以0.1mm每单位时间的“下钻”速度依次令每组单元刚度为0。

步骤1.4：后处理POST1模块中使用LIST命令获得敏感栅范围内所有节点的应变数据，对应变数据进行分析，得到应变释放系数a,b的表达式如下：

式中，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比，ε₁、ε₃分别为x,y方向上面积内的平均应变。

钻孔模拟过程中，孔深不断变化，模拟过程可以得到不同孔深下的应变值，根据某一孔深下的各向应变值可以分别得到0°、45°和90°方向上的平均应变，将平均应变代入公式(9)即可得到应变释放系数a,b的值。

根据此种计算方法将曲率半径为4、6、8、20、100mm的凹球面模型、凸球面模型估得的应变释放系数并绘制成折线，如图4所示。随着钻孔加深，a,b系数的增速放缓。相对于平面模型，凹球面的系数增长放缓程度更大，数值较小；凸球面模型的a,b系数则较平面增速大，数值也更大。无论凹凸球面模型，当曲率半径R≥20mm时，其a,b系数与平面模型的差异在5％以内。

步骤2：根据应变释放系数a,b的表达式得到0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式；

以最常见的三向应变花为例，实际测得的应变只是沿着0°、45°和90°三个方向。因此只需考虑这三向母线的曲率，每条母线根据其曲率可插值算出对应的a,b系数，再代入由式(9)推出的三向应力应变关系式(10)：

式中：ε₀、ε₄₅、ε₉₀分别为0°、45°和90°三个方向的残余应力，，σ₁为该曲面上最大主应力,σ₃为该曲面上最小主应力；E为材料的弹性模量；μ为材料的泊松比；θ为0°与最大主应力顺时针的夹角，a₀、a₄₅、a₉₀分别为0°、45°和90°三个方向上的应变释放系数，b₀、b₄₅、b₉₀分别为0°、45°和90°三个方向上的应变释放系数。

步骤3：利用盲孔法测量残余应力沿着0°、45°和90°三个方向的应变，根据每条应变方向插值算出对应的应变释放系数a,b的值，然后根据三向残余应力应力应变关系式即可分别得到在0°、45°和90°三个方向上的残余应力。

本实施例通过建立平面模型来对该测量方法的有效性进行验证。具体步骤如下：

(1)建立平面模型并进行网格划分，然后进行钻孔模拟；

采用六面体8节点的固体结构单元SOLID185划分网格。

(2)输入材料参数，设置边界条件；

以钻孔位置为原点，Z轴为钻孔的方向，XOY为垂直于Z轴的平面，令yoz面上所有节点的x方向位移为0，即孔对称面上，令xoz面上所有节点的y方向位移为0，令坐标原点(0,0,0)处的位移为0。

(3)对平面模型施加沿x轴的初始应力-100MPa，钻孔后周围的应力分布如图4所示。可见结果与现有的平面圆孔孔口应力分布规律十分相似：沿初始应力方向孔边集中系数为3。即通过本实施例提供的测量方法可以准确测量平面模型的残余应力。

本实施例还包括以下步骤：

步骤4：设定钻孔深度零点对应初始位置，即钻头刚开始切削工件的平面，分别建立三种不同曲面下测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式。

本步骤中，

当曲面为平面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当曲面为凹球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当曲面为凸球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当h＜h₁时，

当h₁≤h＜h₂时，

当h₁≤h＜h₂时，

式中：

R为球面曲率半径，mm。其他参数如图1和图2所示，h_凸、h_凹分别为凸球面模型和凹球面模型下的钻孔深度，h₁、h₂表示钻孔的深度，r₁表示敏感栅到应变片中心最近距离，r₂表示敏感栅到应变片中心最远距离,c为钻孔点，即敏感栅中点。

根据D_h与钻深h的关系式可以得到各钻深值对应的D_h值，根据前述步骤1-3可以得到相应钻深下的应变释放系数a,b值，据此可以获得的D_h-h-a-b数值表，如此后续在要获得残余应力时可以查阅数值表获得相应的应变释放系数a,b值，并代入公式(10)即可快速得到残余应力值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述曲面包括凸球面和凹球面，所述方法包括以下步骤：

分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，根据钻孔模拟过程中得到的敏感栅范围内所有节点的应变数据，得到应变释放系数a,b的表达式；

根据应变释放系数a,b的表达式得到0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式；

利用盲孔法测量残余应力沿着0°、45°和90°三个方向的应变，根据每条应变方向插值算出对应的应变释放系数a,b的值，然后根据三向残余应力应力应变关系式即可分别得到在0°、45°和90°三个方向上的残余应力。

2.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述分别建立凸球面模型和凹球面模型，并进行钻孔模拟，根据钻孔模拟过程中得到的敏感栅范围内所有节点的应变数据和D_h与钻深h的关系式分别得到应变释放系数a,b的表达式，具体包括：

在软件ANSYS中分别建立凹、凸球面三种模型，并对每个模型进行网格划分；

输入材料参数，设置边界条件；

通过inistate命令在模型各节点上加载初始应力，以预设的下钻速度依次令每组单元刚度为0；

通过后处理POST1模块获得敏感栅范围内所有节点的应变数据，结合测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式，得到应变释放系数a,b的表达式如下：

式中，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比，ε₁、ε₃分别为x,y方向上面积内的平均应变。

3.根据权利要求2所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述分别建立凹、凸球面三种模型中，凹凸球面各建立了多个不同曲率半径的模型，且每个模型仅建立1/4对称的模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述曲率半径包括4、6、8、20和100mm。

5.根据权利要求3所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述预设的下钻速度为0.1mm每单位时间。

6.根据权利要求1所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，所述0°、45°和90°三个方向的应力应变关系式如下：

式中，ε₀、ε₄₅、ε₉₀分别为0°、45°和90°三个方向的残余应力，σ₁为该曲面上最大主应力,σ₃为该曲面上最小主应力；E为材料的弹性模量；μ为材料的泊松比；θ为0°与最大主应力顺时针方向的夹角。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，还包括步骤：分别建立凸球面和凹球面下测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式。

8.根据权利要求7所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，

当曲面为凹球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当曲面为凸球面时，D_h与钻深h的关系式如下：

当h＜h₁时，

当h₁≤h＜h₂时，

当h₂≤h时，

式中，

R为球面曲率半径，h₁、h₂表示钻孔的深度，r₁表示敏感栅到应变片中心最近距离，r₂表示敏感栅到应变片中心最远距离,c为钻孔点，即敏感栅中点。

9.根据权利要求7所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，还包括用于验证的平面模型。

10.根据权利要求9所述的一种基于盲孔法测曲面残余应力的测量方法，其特征在于，平面模型中，测量位置与应力释放孔处的距离D_h与钻深h的关系式如下：

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