CN113094842A - 一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，对碟形薄壁构件分别评估获取宏观尺度的材料内应力的空间分布σⅠ和微观尺度的加工残余应力的空间分布σⅡ，将宏观尺度的材料内应力的空间分布和微观尺度的加工残余应力的空间分布耦合叠加建立碟形薄壁构件耦合应力场模型σ＝σⅠ+σⅡ。本发明可分别评估宏观材料内应力和微观表层残余应力的空间分布，用于建立碟形薄壁构件耦合应力场模型，为控制零件尺寸一致性提供了充分的数据支撑。

Description

一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，具体涉及一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法。

背景技术

碟形薄壁构件是一类典型的承力结构，特殊的中空环形设计保证了结构变刚度特性以及载荷同心传递的特点，同时具有安装空间小、工况适应性强、长使用寿命、高可靠性、易制造、易维护等显著优点，因此广泛应用于各类机械设备中的强力缓冲、减震装置，也可作为离合器、安全阀、减压阀等中的压紧装置使用。

在碟形薄壁构件的批量制造中，尺寸偏差是影响单个零件力学性能的主要因素之一。当零件超出设计尺寸及形位公差时，力学性能随着几何外形的改变而偏离设计的载荷位移曲线，导致单个零件力学性能不合格。当多个零件组合使用时，需要考虑零件尺寸偏差的统计规律和分布取向，因为单个零件的力学性能偏差伴随结构并联/串联而放大，进而导致机械装备的整体载荷传递、缓冲阈值大幅度偏离设计值，严重影响装备的服役性能。因此，批量制造碟形薄壁构件时主要面临的瓶颈是零件个体的尺寸偏差控制难题。

碟形薄壁构件本质上是位移约束的小行程弹簧，制造原材料通常选用60Si2MnA、50CrVA等牌号的优级弹簧钢。为保障零件服役过程中良好的载荷性能、缓冲行程和疲劳寿命，热处理退火、淬火、回火以及喷丸是机械制造流程中的必要工艺，以提高基材组织稳定性、抗应力蠕变与载荷稳定性。零件经历车削、退火、淬火、回火和喷丸等多次热加工与冷加工流程后：一方面宏观的材料内应力伴随车削加工时材料去除、零件刚度时变而演化，内部弹性应变能转化为外部形变，零件产生显著的尺寸偏差；另一方面，车削与喷丸作为最终的冷加工工艺，不可避免的引入加工硬化层和表层残余应力，分布于零件近表层的残余应力具有高能量密度、非均匀分布的显著特点，在结构刚性较弱时也会影响外形，特别是1～3mm厚度以内的碟形薄壁构件。

综上所述，存在两种不同特性、不同空间分布的残余应力，共同影响碟形薄壁构件的尺寸精度，具体为：1)宏观尺度的材料内应力：均匀的分布于材料内部、空间分辨率为mm量级的宏观内应力，源于材料制备流程中的不均匀的热、机械载荷，如锻造、轧制、退火、淬火、回火等；2)微观尺度的加工残余应力：分布于零件厚度有限的加工变质层内、空间分辨率为μm量级的微观残余应力，源于零件精加工和表面处理工艺，如车削、喷丸等。两种残余应力共同的作用下，碟形薄壁构件的加工变形通常在批量生产中呈现出规律性不显著、变形统计不一致的难题，对精确控制碟形零件的尺寸精度和力学性能提出了严峻的挑战。

因此对于批量生产的碟形薄壁构件，如何定性分离两种残余应力、精确表征相应的空间分布、定量确定两种残余应力对变形的影响权重，一直是控制零件变形的关键数据，也是当前亟需解决的工程难题。碟形薄壁构件的毛坯为圆柱坯料，零件为薄壁回转体，根据构型可分为柱面和锥面等不同结构，毛坯与零件的结构差异也是导致工程问题复杂的主要因素之一。当前，根据公开的技术标准与文献可知，薄板、圆筒、矩形梁等结构的材料内应力测量主要以剥层法、裂纹柔度法为主，测量结果均为一维曲线，低维数据对于精确三维变形分析已略显不足。而微观的表层残余应力，主要以X射线衍射和电解抛光组合测量为主，过程中主要面临的难题是衍射峰易受到微观组织影响，μm量级的空间分布使用电解抛光难以精确控制。因此，碟形薄壁构件在批量制造中面临尺寸偏差的工程难题仍需解决，宏观材料内应力与微观表层残余应力是影响零件变形的关键因素，迫切需要一种适合碟形薄壁构件的残余应力场建模方法。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提供了一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，为解决当前碟形薄壁构件的加工变形提供一种新的解决思路，该方法设计了一种工程力学试验方法，可分别评估宏观材料内应力和微观表层残余应力的空间分布，用于建立碟形薄壁构件耦合应力场模型，为控制零件尺寸一致性提供了充分的数据支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，对碟形薄壁构件分别评估获取宏观尺度的材料内应力的空间分布σ_Ⅰ和微观尺度的加工残余应力的空间分布σ_Ⅱ，将宏观尺度的材料内应力的空间分布和微观尺度的加工残余应力的空间分布耦合叠加建立碟形薄壁构件耦合应力场模型σ＝σ_Ⅰ+σ_Ⅱ。

本发明设计了一种工程力学试验方法，可分别评估宏观材料内应力和微观表层残余应力的空间分布，用于建立碟形薄壁构件耦合应力场模型，为控制零件尺寸一致性提供了充分的数据支撑。

进一步优选，在统一的碟形薄壁构件对应的坐标系中，设置约束条件为∑σ_Ⅰ＝0，∑σ_Ⅱ≠0。

进一步优选，上述碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，包括以下步骤：

Step 1.构建坐标系：根据用于加工碟形薄壁构件的圆柱毛坯的几何外形，建立柱面坐标系评估圆柱毛坯三维正应力的空间分布(σ_r,σ_θ,σ_z)；其中，圆柱毛坯的高度方向、半径方向和切向坐标轴分别为z轴、r轴和θ轴，坐标原点定义在圆柱毛坯端面的圆心，圆柱毛坯的三维正应力分别是高度方向内应力σ_z、径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ；

Step 2.批量分组：将同批次圆柱毛坯随机分为ABCD四组，每组具有相等数量n(n>3)件圆柱毛坯，且设定每件圆柱毛坯具有相同的初始应力状态；

Step 3.取A组和B组圆柱毛坯进行试验，获取宏观尺度的材料内应力的空间分布；

Step 4.取C组和D组圆柱毛坯进行试验，获取微观尺度的加工残余应力的空间分布；

Step 5.将宏观尺度的材料内应力的空间分布和微观尺度的加工残余应力的空间分布耦合叠加建立碟形薄壁构件耦合应力场模型。

进一步优选，步骤Step 3中，获取宏观尺度的材料内应力的空间分布包括以下方法：

Step 31：通过对A组圆柱毛坯，评估宏观尺度材料的径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ；对B组圆柱毛坯，评估宏观尺度材料的高度方向内应力σ_z；

Step 32：通过叠加A组与B组圆柱毛坯的应力状态，获得圆柱毛坯的宏观尺度材料的内应力的空间分布：σ_Ⅰ＝σ(A)+σ(B)＝{σ_r,σ_θ,σ_z}，空间分辨率为mm量级。

进一步优选，步骤Step 31中：A组圆柱毛坯用于评估宏观尺度材料的径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ，对任意一个圆柱毛坯，以90°正交切割法获得八个对称截面，评估八个对称截面上的内应力分布；进行n个圆柱毛坯试样的标准差分析，考察径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ分布的对称性。

进一步优选，步骤Step 32中：B组圆柱毛坯用于评估宏观尺度材料的高度方向内应力σ_z，以碟形薄壁构件的内圆高度H₁、中圆高度H₂和外圆高度H₃截取圆柱毛坯，获得B组圆柱毛坯在不同高度的内应力σ_z的空间分布数据；进行n个圆柱毛坯试样的标准差分析，考察高度方向内应力σ_z分布的差异性。

进一步优选，步骤Step 4中，获取微观尺度的加工残余应力的空间分布包括以下方法：

Step 41：通过对C组圆柱毛坯选择相应的加工工艺进行加工，保障C组圆柱毛坯加工的碟形薄壁构件保留宏观尺度的材料内应力，消除微观尺度的加工残余应力，作为对照组；获取碟形薄壁构件的柔度响应曲线σ(C)；

Step 42：通过对D组圆柱毛坯选择相应的加工工艺进行加工，保障D组圆柱薄片加工的碟形薄壁构件保留宏观尺度的材料内应力和微观尺度的加工残余应力；获取碟形薄壁构件的柔度响应曲线σ(D)；

Step 43：将步骤Step 41的柔度响应曲线与步骤Step 42的柔度响应曲线相减，获得微观尺度的加工残余应力的空间分布：σⅡ＝σ(D)-σ(C)＝{σ_r+σ_θ}，空间分辨率为μm量级。

进一步优选，步骤Step 41中，对C组圆柱毛坯使用五轴电火花线切割完成n个碟形薄壁构件外形加工，预留双边0.1mm余量并且使用化学铣削去除加工再铸层，达到零件设计壁厚公差2±0.01mm；

步骤Step 42中，对D组圆柱毛坯使用精密车削完成n个碟形薄壁构件外形加工，达到零件设计壁厚公差2±0.01mm；

测量C组、D组内n个碟形薄壁构件对宏观裂纹的柔度响应曲线，裂纹扩展方向为碟形薄壁构件的半径方向且保持0.5-2.5mm/min等速率扩展。

进一步优选，对C组和D组内的碟形薄壁构件进行裂纹柔度响应测试时，根据残余应力主轴的方向分别在半径方向和圆周切向设置应变片，用以测量裂纹等速率扩展时的柔度响应。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明服务于精密机械制造工艺设计，克服零件当前碟形薄壁构件机械加工中的尺寸偏差难题。

本发明针对碟形薄壁构件批量制造中尺寸偏差控制难题，设计了一种工程力学试验方法，通过控制变量、设置对照组分别对两种不同性质的残余应力空间分布进行了理论和试验研究，该方法可单独评估宏观尺度的材料内应力和微观尺度的加工残余应力的空间分布，并建立了碟形薄壁构件耦合应力场模型，为控制零件尺寸一致性提供了充分的数据支撑；本发明尤其适用于中空碟形薄壁构件。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为圆柱毛坯的应力场坐标系与批量分组示意图。附图中标记及对应的零部件名称：1表示圆柱毛坯。

图2为A组毛坯的切割示意图。附图中标记及对应的零部件名称：2表示A组内的任意一件毛坯，3表示毛坯中央截面I，4表示毛坯中央截面II，毛坯中央截面I和毛坯中央截面II相互垂直；5表示第一组截面，6表示第二组截面，7表示第三组截面，8表示第四组截面。

图3为B组毛坯的切割示意图，其中图3(a)表示毛坯拟切割示意图，图3(b)表示一种典型的碟簧零件示意图，图3(c)表示毛坯与碟簧中央截面的侧视图。附图中标记及对应的零部件名称：9表示B组内的任意一件毛坯，10表示圆柱毛坯的中央截面，11表示碟簧零件，12表示碟簧的内圆，13表示碟簧的中圆，14表示碟簧的外圆，15表示碟簧在毛坯中央截面的相对位置，16表示内圆高度值H₁，17表示是中圆高度值H₂，18表示外圆高度值H₃。

图4为B组毛坯按照内、中、外圆高度切割之后的示意图。附图中标记及对应的零部件名称：19表示四块圆柱薄片。

图5为测量获得的B组毛坯高度方向变形轮廓图。

图6为宏观材料内应力评估方法原理图，其中图6(a)表示B组毛坯高度方向的变形曲线，图6(b)表示B组毛坯高度方向的材料内应力分布曲线。

图7为慢走丝线切割加工碟簧试样的示意图，其中图7(a)表示立体结构示意图，图7(b)表示剖视图。附图中标记及对应的零部件名称：20表示C、D组内任意的一件碟簧零件，21表示进行线切割的直径路线，22表示可变摆角的切割电极丝。

图8为基于C、D组毛坯获得的碟簧零件进行微观残余应力测量的示意图，其中，图8(a)表示立体示意图，图8(b)表示俯视图。附图中标记及对应的零部件名称：23表示基于C、D组内任意毛坯获得的碟簧零件，24表示第一应变片，位于外圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应；25表示第二应变片，位于外圆、与碟簧外圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应；26表示第三应变片，位于内圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应；27表示第四应变片，位于内圆、与碟簧内圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应；28表示裂纹扩展时产生的径向变形，29表示裂纹扩展时产生的切向变形。

图9为基于C、D组毛坯获得的碟簧半圆零件进行微观残余应力测量的示意图，其中，图9(a)表示立体示意图，图9(b)表示俯视图。附图中标记及对应的零部件名称：30表示基于C、D组内任意毛坯获得的碟簧半圆零件，31表示应变片I，位于外圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应，32表示应变片II，位于外圆、与碟簧外圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应，33表示应变片III，位于内圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应，34表示应变片IV，位于内圆、与碟簧内圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应，35表示裂纹扩展时产生的径向变形，36表示裂纹扩展时产生的切向变形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，以中空碟形薄壁构件为例，下面结合附图详细说明本实施例提出的残余应力场建模方法实施步骤：

高性能的中空碟形薄壁构件通常由圆柱锻件车削加工而成，如图1所示。根据圆柱毛坯1的几何外形特点，建立柱面坐标系评估宏观尺度的材料内应力的空间分布，圆柱毛坯的高度方向、半径方向和切向坐标轴分别为z轴、r轴和θ轴，坐标原点定义在圆柱毛坯端面的圆心，因此圆柱毛坯的三维正应力分别是高度方向内应力σ_z、径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ。

如图1所示，将同一批次的圆柱毛坯分为数量为四个试验对照组，分别是A组、B组、C组、D组，每个试验对照组有相同数量的n个圆柱毛坯，且满足n＞3，总计数量为4*n件。批量锻造的圆柱毛坯材料通常由稳定的工艺流程制造，因此假设同一批次的圆柱毛坯材料具有一致的初始状态与材料内应力场，接下来进行如下试验：

步骤1：对圆柱毛坯材料的内应力进行评估：

1)如图2所示，选择A组内的圆柱毛坯试验，测量圆柱毛坯径向和切向的内应力空间分布，以圆柱毛坯的两个互相垂直的中央截面，即毛坯中央截面I3和毛坯中央截面II4为切割面，将毛坯切割为四块大小相等的部分，形成四组对称剖面即第一组截面5、第二组截面6、第三组截面7和第四组截面8，共计八个切割面。在这些新加工的切割面之上，可以进行常规的无损X射线衍射测量，得到切割面上的内应力分布。沿半径方向r进行连续测量，即可获得径向应力σ_r的空间分布数据。另一方面，使用高精度轮廓仪(三坐标测量机、激光位移传感器)测量八个切割面的法向变形，由变形量进行平衡反演计算，可以获得切向应力σ_θ的空间分布数据。因为柱面坐标系内的切向应力总是与径向应力垂直。

通过圆柱毛坯试样的四等分切割，可以分析中心对称的四组对称剖面上的径向应力σ_r和切向应力σ_θ的对称性。

考察单个圆柱毛坯试样残余应力的对称性之后，对A组内n件圆柱毛坯试样的内应力测量结果进行标准差分析，获得测量的重复精度和误差值。

2)如图3所示，选择B组内的圆柱毛坯试验测量圆柱高度方向的内应力空间分布，以圆柱毛坯的中央截面10为参考平面，确定高度方向内应力测量的切割高度。碟簧零件11的外形如图3(b)所示，以结构回转中心为基准可分为碟簧的内圆12、碟簧的中圆13和碟簧的外圆14。选取B组圆柱毛坯的中央截面10为基准，碟簧零件11位于该截面的中央，以碟簧的内圆12、碟簧的中圆13和碟簧的外圆14确定了侧视图(图3(c))中的内圆高度值H₁16、中圆高度值H₂17和外圆高度值H₃18。

如图4所示，以内圆高度值H₁16、中圆高度值H₂17和外圆高度值H₃18将B组圆柱毛坯切割为四块圆柱薄片19，测量四块圆柱薄片高度方向(Z)的轮廓变形，如图5所示,。

如图6所示，通过弹性力学的叠加原理和应力平衡边界条件，可以由轮廓变形曲线(如图6(a))反演残余应力分布曲线(如图6(b))，最终获得B组圆柱毛坯在不同高度的内应力σ_z的空间分布数据。

考察单个圆柱毛坯试样残余应力的对称性之后，对B组内n件圆柱毛坯试样的高度方向内应力σ_z测量结果进行标准差分析，获得测量的重复精度和误差值。

3)基于圆柱毛坯初始状态一致性假设，通过叠加A组和B组内圆柱毛坯的残余应力测量结果，可以获得此批次圆柱毛坯的材料内应力空间分布，即σⅠ＝σ(A)+σ(B)＝{σ_r,σ_θ,σ_z}，空间分辨率为mm量级。

步骤2：进行碟簧零件的加工残余应力评估：

由于车削加工不可避免的在碟簧零件表面引入变质层、表面硬化和加工残余应力，因此精确评估这种近表层的微观残余应力需要分离宏观尺度的材料内应力(mm量级)的影响。

本实施例基于弹性力学的叠加原理和试验对照设计，选择C组圆柱毛坯进行碟簧零件加工，加工方式使用五轴电火花精密线切割。电火花加工属于特种加工，在合适的加工参数下进行切割，零件已加工表面的再铸层仅数10μm～100μm且微观尺度的加工残余应力可以忽略。因此C组内的碟簧零件去除再铸层之后仅残留宏观尺度的材料内应力的作用，可作为材料内应力对照组。C组加工碟簧零件时，预留双边0.1mm余量并且使用酸洗去除加工再铸层，达到零件设计厚度公差2±0.01mm。

如图7所示，将C组内加工的碟簧零件进行裂纹柔度响应测试，线切割的路径选择碟簧直径，可变摆角的切割电极丝将沿着预设路径并保持0.5mm/min-2.5mm/min等速率进行切割加工。在测试过程中，碟簧切割面始终与可变摆角的切割电极丝的摆角成90°垂直，得到碟簧零件在材料内应力作用下的裂纹柔度响应曲线。

D组毛坯使用精密车削加工方式，将n件碟簧零件至厚度公差2±0.01mm内。此时D组内的碟簧零件存在两种不同尺度的残余应力作用，其中一种是宏观尺度的材料内应力，另一种是车削工艺在碟簧零件表层形成的微观尺度的加工残余应力。将D组的n件碟簧零件按照图7所示，进行裂纹柔度响应测试，得到碟簧零件在宏观尺度的材料内应力和微观尺度的加工残余应力作用下的裂纹柔度响应曲线。

如图8所示，C、D组内的碟簧零件进行裂纹柔度响应测试时，根据残余应力主轴的方向分别在半径方向和圆周切向设置了应变片，用以测量裂纹等速率扩展时的柔度响应。

半径方向的微观应变可以由第一应变片24(位于外圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应)和第三应变片26(位于内圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应)测量；圆周切向的微观应变可以由第二应变片25(位于外圆、与碟簧外圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应)和第四应变片27测量(位于内圆、与碟簧内圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应)。

从碟簧零件的俯视图图8(b)可以进一步说明裂纹扩展导致的应力释放和微观应变，当线切割产生的人造裂纹以等速率在碟簧的半径方向扩展时，碟簧径向和切向应力由于裂纹的引入产生了显著的应力应变释放，在半径方向和圆周切向都产生了显著的微观变形，即裂纹扩展时产生的径向变形28和裂纹扩展时产生的切向变形29。

如图9所示，C、D组也可以使用半个碟簧零件进行裂纹柔度响应的测试，此种情况仍然可以使用内外圆两组应变片测量裂纹扩展的柔度响应。半径方向的微观应变可以由应变片I31(位于外圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应)和应变片III33(位于内圆、与碟簧半径方向平行、用于测量径向裂纹柔度响应)测量；圆周切向的微观应变可以由应变片II32(位于外圆、与碟簧外圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应)和应变片IV34(位于内圆、与碟簧内圆切向平行、用于测量切向裂纹柔度响应)测量。

从碟簧半圆零件的俯视图图9(b)可以进一步说明裂纹扩展导致的应力释放和微观应变，当线切割产生的人造裂纹以等速率在碟簧的半径方向扩展时，碟簧径向和切向应力由于裂纹的引入产生了显著的应力应变释放，在半径方向和圆周切向都产生了显著的微观变形，即裂纹扩展时产生的径向变形35和裂纹扩展时产生的切向变形36。

值得说明的是，采用碟簧半圆零件进行裂纹柔度响应曲线测量时，初始条件与完整碟簧略有不同，因为碟簧半圆零件的结构完整性已经遭到破坏，因此测量结果在使用前必须进行必要的修正，以达到完整碟簧的初始条件才可以进行数据对比和分析。

将测量获得的C、D组内n个碟簧零件对宏观裂纹的柔度响应曲线相减，以C组为材料内应力的对照组，即可获得微观尺度的加工残余应力空间分布，σⅡ＝σ(D)-σ(C)＝{σ_r+σ_θ}，空间分辨率为μm量级。

步骤3：基于ABCD初始应力状态一致假设，碟形薄壁构件的残余应力场可由宏观尺度的材料内应力和微观尺度的加工残余应力叠加获得，即σ＝σⅠ+σⅡ。在统一的零件坐标系中设置约束条件∑σⅠ＝0，∑σⅡ≠0，用于校验耦合应力场数据的准确性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，对碟形薄壁构件分别评估获取宏观尺度的材料内应力的空间分布σ_Ⅰ和微观尺度的加工残余应力的空间分布σ_Ⅱ，将宏观尺度的材料内应力的空间分布和微观尺度的加工残余应力的空间分布耦合叠加建立碟形薄壁构件耦合应力场模型σ＝σ_Ⅰ+σ_Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，在统一的碟形薄壁构件对应的坐标系中，设置约束条件为∑σ_Ⅰ＝0，∑σ_Ⅱ≠0。

3.根据权利要求1或2所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step 1.构建坐标系：根据用于加工碟形薄壁构件的圆柱毛坯的几何外形，建立柱面坐标系评估圆柱毛坯三维正应力的空间分布(σ_r,σ_θ,σ_z)；其中，圆柱毛坯的高度方向、半径方向和切向坐标轴分别为z轴、r轴和θ轴，坐标原点定义在圆柱毛坯端面的圆心，圆柱毛坯的三维正应力分别是高度方向内应力σ_z、径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ；

Step 2.批量分组：将同批次圆柱毛坯随机分为ABCD四组，每组具有相等数量n(n>3)件圆柱毛坯，且设定每件圆柱毛坯具有相同的初始应力状态；

Step 3.取A组和B组圆柱毛坯进行试验，获取宏观尺度的材料内应力的空间分布；

Step 4.取C组和D组圆柱毛坯进行试验，获取微观尺度的加工残余应力的空间分布；

Step 5.将宏观尺度的材料内应力的空间分布和微观尺度的加工残余应力的空间分布耦合叠加建立碟形薄壁构件耦合应力场模型。

4.根据权利要求3所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，步骤Step 3中，获取宏观尺度的材料内应力的空间分布包括以下方法：

Step 31：通过对A组圆柱毛坯，评估宏观尺度材料的径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ；对B组圆柱毛坯，评估宏观尺度材料的高度方向内应力σ_z；

Step 32：通过叠加A组与B组圆柱毛坯的应力状态，获得圆柱毛坯的宏观尺度材料的内应力的空间分布：σ_Ⅰ＝σ(A)+σ(B)＝{σ_r,σ_θ,σ_z}，空间分辨率为mm量级。

5.根据权利要求4所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，步骤Step 31中：A组圆柱毛坯用于评估宏观尺度材料的径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ，对任意一个圆柱毛坯，以90°正交切割法获得八个对称截面，评估八个对称截面上的内应力分布；进行n个圆柱毛坯试样的标准差分析，考察径向内应力σ_r和切向内应力σ_θ分布的对称性。

6.根据权利要求4所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，步骤Step 32中：B组圆柱毛坯用于评估宏观尺度材料的高度方向内应力σ_z，以碟形薄壁构件的内圆高度H₁、中圆高度H₂和外圆高度H₃截取圆柱毛坯，获得B组圆柱毛坯在不同高度的内应力σ_z的空间分布数据；进行n个圆柱毛坯试样的标准差分析，考察高度方向内应力σ_z分布的差异性。

7.根据权利要求3所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，步骤Step 4中，获取微观尺度的加工残余应力的空间分布包括以下方法：

Step 41：通过对C组圆柱毛坯选择相应的加工工艺进行加工，保障C组圆柱毛坯加工的碟形薄壁构件保留宏观尺度的材料内应力，消除微观尺度的加工残余应力，作为对照组；获取碟形薄壁构件的柔度响应曲线σ(C)；

Step 42：通过对D组圆柱毛坯选择相应的加工工艺进行加工，保障D组圆柱薄片加工的碟形薄壁构件保留宏观尺度的材料内应力和微观尺度的加工残余应力；获取碟形薄壁构件的柔度响应曲线σ(D)；

Step 43：将步骤Step 41的柔度响应曲线与步骤Step 42的柔度响应曲线相减，获得微观尺度的加工残余应力的空间分布：σ_Ⅱ＝σ(D)-σ(C)＝{σ_r+σ_θ}，空间分辨率为μm量级。

8.根据权利要求7所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，步骤Step 41中，对C组圆柱毛坯使用五轴电火花线切割完成n个碟形薄壁构件外形加工，预留双边0.1mm余量并且使用化学铣削去除加工再铸层，达到零件设计壁厚公差2±0.01mm；

步骤Step 42中，对D组圆柱毛坯使用精密车削完成n个碟形薄壁构件外形加工，达到零件设计壁厚公差2±0.01mm；

测量C组、D组内n个碟形薄壁构件对宏观裂纹的柔度响应曲线，裂纹扩展方向为碟形薄壁构件的半径方向且保持0.5-2.5mm/min等速率扩展。

9.根据权利要求8所述的一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法，其特征在于，对C组和D组内的碟形薄壁构件进行裂纹柔度响应测试时，根据残余应力主轴的方向分别在半径方向和圆周切向设置应变片，用以测量裂纹等速率扩展时的柔度响应。

Images