CN113139252A - 一种u型结构的残余应力场重构方法 - Google Patents

一种u型结构的残余应力场重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种U型结构的残余应力场重构方法，使用圆柱坐标系和直角坐标系组成的混合坐标系重构U型结构的三维全场应力；按照几何特征将U型结构分解为三个局部坐标系，分别为：一个圆柱坐标系LCS‑A，用以描述U型结构的环形柱面体；以及两个直角坐标系LCS‑B1和LCS‑B2，分别用以描述U型结构的第一矩形块和第二矩形块。解决了对U型结构的残余应力场重构缺乏的有效实操方案的问题，利于实现通过一次组合破坏性测试即可获得完整的应力场数据，成本较低，适合产品的研发与批量定型前的试产研究。

Description

一种U型结构的残余应力场重构方法
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种U型结构的残余应力场重构方法。
背景技术
U型薄壁整体构件通常由U型锻件逐层铣削加工而成，受材料非对称去除和结构刚性差的影响，U型零件易产生较大尺寸偏差，影响零件的尺寸检验合格率和后续装配服役。因此，确定U型锻件毛坯材料的残余应力场是预测和控制零件加工变形的前提与关键。
材料内部的残余应力(宏观Ⅰ类)主要由不均匀的塑性变形、温度梯度以及组织相变等因素引起。由于残余应力具有不可直接测量的独特性质，因此各类物理和机械方法为服务工程残余应力测试应运而生。针对几何外形规则的试样如板材、矩形块、圆柱等，剥层法、裂纹柔度法、轮廓法随着科技进步逐渐提升了测量精度与空间分辨率，但是，这些方法的缺点如下所示：(1)剥层法适用于规则的薄板、圆柱、圆筒试样，而U型结构几何特征迥异，均匀剥层的操作难度较大，因此不能直接使用剥层法测量。(2)裂纹柔度法普遍用于航空板材的残余应力测试，测试精度高且适应性好。虽然该方法对结构外形无特殊要求，但是U型结构的特殊外形也较难通过一次测量获得三维残余应力场数据，多次测量时关键位置选取、结构破坏也制约了该方法的实际应用。(3)轮廓法是新世纪以来测试能力和精度俱佳的全新残余应力测量方法，它对结构外形没有特殊的限制，可以通过一次切割面的测量获得截面的连续2维残余应力分布。因此，该方法也可应用于U型结构某个特定区域的测试，但是仍然难以通过一次测量获得U型结构的三维残余应力数据。同时，结构破坏也需要提前规划合理的测量策略与路径。
常规的物理衍射法包括X射线衍射、高能X射线同步辐射以及中子衍射方法，X射线衍射是工程化、经济性最好的表面应力测试方法，受限于X射线穿透深度，实验室/便携式X射线衍射仪对工程金属材料的有效探测深度仅为10～100μm，对于毛坯材料mm量级的空间尺度，测量深度和效率不能满足全场多轴残余应力测试的实际需求，需要结合一定的材料去除与零件分割。高能X射线同步辐射和中子衍射都是利用高能加速器射出的高能量、高穿透性的粒子进行材料内部探测，但是这两种测试方法都必须依托国家级实验室/工程中心，常规的工程材料检测不能承受其高额使用成本与科学探索价值。因此，物理衍射法中X射线衍射仅可作为常规测试的补充与验证。
综上所述，上述介绍的剥层法、裂纹柔度法、轮廓法等机械测试方法对结构的破坏程度较高，多次组合测量时需要设计合理的测量策略与路径，为后续测量尽量保持试样原始应力状态，而X射线衍射也只能以离散点进行区域测量和验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：对U型结构的残余应力场重构缺乏的有效实操方案，本发明提供了解决上述问题的一种U型结构的残余应力场重构方法，利于实现通过一次组合破坏性测试即可获得完整的应力场数据，成本较低，适合产品的研发与批量定型前的试产研究。
本发明通过下述技术方案实现：
一种U型结构的残余应力场重构方法，使用圆柱坐标系和直角坐标系组成的混合坐标系重构U型结构的三维全场应力；按照几何特征将U型结构分解为三个局部坐标系，分别为：一个圆柱坐标系LCS-A，用以描述U型结构的环形柱面体；以及两个直角坐标系LCS-B1和LCS-B2，分别用以描述U型结构的第一矩形块和第二矩形块。
本发明使用了圆柱坐标系和直角坐标系组成的混合坐标系重构了U型结构的三维全场应力，以简单结构的组合描述复杂结构的三维应力场，按照几何特征，本发明将U型结构分为一个环形柱面体和两个长方体(即第一矩形块和第二矩形块)，对应的对环形柱面体采用圆柱坐标系，对第一矩形块和第二矩形块均采用直角坐标系。采用本发明的重构方案，通过一次组合破坏性测试即可获得完整的应力场数据，成本较低，适合产品的研发与批量定型前的试产研究。
进一步优选，还包括，检验重构模型的精度的步骤，采用的检验方法包括跨方法验证、坐标变换验证、物理现象验证中的一种或多种。
本发明采用包括但不限于坐标变换、跨方法验证、物理现象验证等方式检验了重构模型的精度，重构的全场应力提升了加工变形预测和控制精度。
进一步优选，所述跨方法验证中，对圆柱坐标系中的环形柱面体、或对直角坐标系中的第一矩形块和/或第二矩形块，按照设定方向切割，组合使用不同测试原理的机械与物理方法对切割平面的残余应力进行离散与连续测量。
进一步优选，所述切割平面的残余应力包括切割面内应力分量和切割面外应力分量；切割面内应力分量是指平面应力分量，用σin表示；对于切割面内的平面应力分量，先使用常规无损XRD按照设定切割面内的应力分量测量点阵的间距进行离散测量，然后使用半损伤钻孔法再次按照该间距进行离散测量；切割面外应力分量是指平面法向的应力分量，用σout表示；按照切割面外的应力分量扫描路径，使用轮廓法连续扫描切面法向的变形轮廓，通过微变形与应力的对应关系求解出连续的法向残余应力分布。
本发明跨方法测量与验证可获得较为可靠的多轴残余应力分布。
进一步优选，对于环形柱面体的局部坐标系，以环形曲率中心为坐标原点，建立圆柱坐标系LCS-A，Z轴为高度方向，R轴为半径方向，T轴为环形切向；以环向0°，90°，180°等间距切面为测量平面，测量平面内的高度方向的残余应力σz(θ)和半径方向的残余应力σr(θ)，检验环形部分的对称性，即[σz(θ),σr(θ)]，θ∈[0°,90°,180°]是否满足圆周环向的对称性。
进一步优选，对于环形柱面体的局部坐标系，以环形曲率中心为坐标原点，建立圆柱坐标系LCS-A，Z轴为高度方向，R轴为半径方向，T轴为环形切向；以高度方向中央平面分割，在新的切割平面上测量切向残余应力σt(θ)和径向残余应力σr(θ)，通过圆柱坐标系检验残余应力的对称性，判断[σt(θ),σr(θ)]在θ∈[0°～180°]范围内幅值分布是否与方位角θ无关。
如果σt(θ)和σr(θ)基本相等，则表明残余应力空间分布满足圆周对称性，分布与圆周角θ无关；否则，则说明残余应力σt(θ)和σr(θ)不具备圆周对称性。
进一步优选，U型结构的第一矩形块和第二矩形块关于中心线对称，建立两个对称的直角坐标系LCS-B1和LCS-B2，Z轴为高度方向，X轴为长度方向，Y轴为宽度方向；以高度方向Z的中央截面为基准截取第一矩形块或第二矩形块，测量分割后的矩形块的平面内的长度方向的残余应力σx和宽度方向的残余应力σy；以宽度方向Y的中央截面为基准截取第二矩形块或第一矩形块，测量分割后的矩形块的平面内的长度方向的残余应力σx和高度方向的残余应力σz。
进一步优选，所述坐标变换验证中，建立U型结构的全局坐标系GlobalCoordinate System(GCS)，选取U型结构的曲率中心为坐标原点，设定广义坐标系：高度方向为Z轴，宽度方向为Y轴，长度方向为X轴；以圆弧过渡面为坐标变换基准，得环形柱面体与第一矩形块和第二矩形块的残余应力分量变换关系为：{σz(A)＝σz(B1)＝σz(B2),σt(A)＝σx(B1)＝σx(B2),σr(A)＝σy(B1)＝σy(B2)}，组合叠加获得U型结构完整的三维残余应力场。此处的A表LCS-A，B1表示LCS-B1，B2表示LCS-B2。
进一步优选，所述物理现象验证中，使用重构的残余应力场计算零件铣削变形，通过U型结构内层材料/外层材料去除后的变形量与变形方向验证重构应力场的精度，并依据变形预测结果在工艺制定阶段预留非对称余量。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提供了一种U型结构的残余应力场重构方法，以简单结构的组合描述复杂结构的三维应力场，将U型结构分解为使用圆柱坐标系的环形柱面体和使用直角坐标系的对称矩形块，构建的混合坐标系精确重构U型结构的三维全场应力。本发明优选通过坐标变换、跨方法验证、物理现象验证三种方式检验重构模型的精度，重构的全场应力可提升加工变形预测和控制精度。
本发明通过一次组合破坏性测试即可获得完整的应力场数据，成本较低，适合产品的研发与批量定型前的试产研究。
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U型结构分解示意图；图1(a)表示U型结构分解立体结构示意图，图1(b)表示U型结构分解俯视结构示意图；附图中标记及对应的零部件名称：1表示环形柱面体，2表示第一矩形块，3表示第二矩形块。
图2为环形部分的测量示意图，环向切割；图2(a)表示立体示意图，图2(b)表示俯视图，图2(c)表示环形部分切割后的状态示意图；附图中标记及对应的零部件名称：在圆柱坐标系中，4表示0°切面，5表示90°切面，6表示180°切面。
图3为环形部分的测量示意图，高度方向切割；图3(a)表示高度方向分割后的试样状态，图3(b)表示切割面测量应力分量的示意图。
图4为对称矩形块的测量示意图；图4(a)表示两个对称矩形块立体示意图，图4(b)表示矩形块高度方向分割示意图，图4(c)表示矩形块宽度方向分割示意图，图4(d)表示矩形块高度方向分割后的试样状态图，图4(e)表示矩形块宽度方向分割后的试样状态图；附图中标记及对应的零部件名称：7表示高度方向Z的中央截面，8表示是宽度方向Y的中央截面。
图5为任意切割截面的组合测量示意图；图5(a)表示任意切割面的应力主轴示意图，图5(b)表示切割面内的应力分量测量示意图，图5(c)表示切割面外的应力分量测量示意图；附图中标记及对应的零部件名称：9表示任意切割面的应力主轴，10表示切割面内的应力分量测量点阵，11表示切割面外的应力分量扫描路径。
图6为U型结构全局坐标系的示意图；图6(a)表示U型结构的正等侧视图，图6(b)表示U型结构的俯视图，图6(c)表示U型结构的坐标变换示意图；附图中标记及对应的零部件名称：16表示圆弧过渡面。
图7为U型结构变形预测示意图，内凹变形情况；图7(a)表示毛坯与零件相对位置示意图，图7(b)表示去除内层材料结构的变形示意图，图7(c)表示去除外层材料结构的变形示意图，图7(d)表示结构应力平衡示意图，图7(e)表示内层材料去除引起的弯矩与变形示意图，图7(f)表示零件最终变形示意图；附图中标记及对应的零部件名称：12表示外层材料，13表示零件，14表示内层材料；
图8为U型结构变形预测示意图，外凸变形情况；图8(a)表示毛坯与零件相对位置示意图，图8(b)表示去除外层材料结构的变形示意图，图8(c)表示去除内层材料结构的变形示意图，图8(d)表示结构应力平衡示意图，图8(e)表示外层材料去除引起的弯矩与变形示意图，图8(f)表示零件最终变形示意图；附图中标记及对应的零部件名称：12表示外层材料，13表示零件，14表示内层材料。
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U型结构的残余应力场重构方法，具体实施步骤如下所示：
Step 1：本实施例研究的对象—U型结构如图1所示，按照几何特征可将U型结构分解为三个局部坐标系Local Coordinate System(LCS)，分别为：一个圆柱坐标系LCS-A，用以描述环形柱面体1；以及两个直角坐标系LCS-B1和LCS-B2，分别用以描述两个长方体即第一矩形块2和第二矩形块3。从俯视图图1(b)中可知，环形柱面体1的坐标原点位于环形圆心，第一矩形块2和第二矩形块3关于U型结构中心线对称。
Step 2：如图2所示，圆柱坐标系中LCS-A中：Z轴为高度方向，R轴为半径方向，T轴为环形切向。为了重构残余应力、评估结构应力场的对称性，在圆柱坐标系内选取0°切面4、90°切面5和180°切面6进行切割。从俯视图图2(b)中观察，0°切面4、90°切面5和180°切面6关于环形柱面体中心线对称。图2(c)是切割完成的环形柱面，具有4个对称的切割平面。
在这些切割平面之上，可以进行多轴残余应力的组合测量。通过结构对称性的约束条件，检验残余应力场是否满足环向的对称性。具体表现为：环形柱面体首先关于结构中心线左右对称，因此检验0°切面应力{σz(0°),σr(0°),σt(0°)}与180°切面应力{σz(180°),σr(180°),σt(180°)}是否满足左右对称；其次，环形柱面体属于圆柱坐标系，也应该满足圆周方向的对称性，因此检验0°、90°和180°切面应力的周向对称性，即{σz(0°),σr(0°),σt(0°)}，{σz(90°),σr(90°),σt(90°)}与{σz(180°),σr(180°),σt(180°)}是否相等。
Step 3：如图3所示，环形柱面体1进一步以高度(Z轴向)中央平面分割，获得四个对称分布的切割平面。以俯视图图3(b)观察，在新的切割平面上测量环形柱面体的切向残余应力σt(θ)和径向残余应力σr(θ)，通过圆柱坐标检验残余应力的对称性，即在θ∝(0,180)范围内，通过多个角度测量上述两个残余应力分量。如果σt(θ)和σr(θ)基本相等，则表明残余应力空间分布满足圆周对称性，分布与圆周角θ无关；否则，则说明残余应力σt(θ)和σr(θ)不具备圆周对称性。
Step 4：如图4所示，U型结构的两个长方体即第一矩形块2和第二矩形块3关于中心线对称(如图4(a)所示)，建立两个对称的直角坐标系LCS-B1和LCS-B2。在两个直角坐标系中，Z轴为高度方向，X轴为长度方向，Y轴为宽度方向。以高度方向Z的中央截面7为基准截取其中一个长方体(如第一矩形块2)，测量第一矩形块2分割后的矩形平面内的长度方向和宽度方向的残余应力σx和σy；以宽度方向Y的中央截面8基准截取另一个长方体(如第二矩形块3)，测量第二个矩形块3分割后的矩形平面内长度方向和高度方向的残余应力σx和σz。
Step 5：如图5所示，上述切割平面的残余应力测量过程中，组合使用不同测试原理的机械与物理方法，对切割面的内外应力分量进行离散与连续测量。其中，切割面内应力分量是指平面应力分量，用σin表示。对于切割面内的平面应力分量，先使用常规无损XRD按照设定切割面内的应力分量测量点阵10(如图5(b))的间距进行离散测量，然后使用半损伤钻孔法再次按照该间距进行离散测量。而切割面外应力分量是指平面法向的应力分量，用σout表示，按照切割面外的应力分量扫描路径11(如图5(c)表示)，使用轮廓法连续扫描切面法向的变形轮廓，通过微变形与应力的对应关系求解出连续的法向残余应力分布。
通过组合使用不同原理的方法测量残余应力，跨方法验证测量结果，可获得较为可靠的多轴残余应力分布。
Step 6：如图6所示，建立U型结构(如图6(a)所示)的全局坐标系GlobalCoordinate System(GCS)。从俯视图图6(b)中，选取U型结构的曲率中心为坐标原点，设定广义坐标系：高度方向为Z轴，宽度方向为Y轴，长度方向为X轴。
进一步的，如图6(c)所示，以圆弧过渡面16为坐标变换基准，可得环形柱面体(LCS-A)与两个长方体(LCS-B1&B2)的残余应力分量变换关系如下：
Figure BDA0003046203110000061
通过上述坐标变换与组合叠加，即可获得U型结构完整的三维残余应力场。
实施例2
在实施例1的基础上，进一步设计以下步骤：
Step 7：如图7所示，使用重构的残余应力场计算零件外形，验证模型的重构精度。
1、第一种情况：内凹变形
从俯视图中观察，U型结构毛坯与零件的相对位置(如图7(a))是空间包裹关系，外层材料12、零件13与内层材料14保持残余应力的平衡(如图7(d))，此时无加工变形。
在铣削加工过程中先去除内层材料14之后，此时由于非对称材料去除与残余应力释放，结构弯矩向内(如图7(e))，因此产生了显著的内凹变形(如图7(b))。
随着精加工过程去除了外层材料12，结构产生了一定的变形回复，但是仍然保持内凹变形(如图7(c))。虽然结构保持了内层材料12和外层材料14的几何对称去除，但是加工时序分先后，去除过程中的内凹变形随工艺流程保留，造就了U型零件的永久加工变形(如图7(f))。
通过U型结构内层/外层去除后的变形精度与方向可验证重构应力场的精度，并依据变形预测结果，可以在工艺制定阶段预留非对称余量，进而克服加工变形。
2、第二种情况：外凸变形
U型结构的残余应力场与材料加工历程密切相关。如图8所示，本实施例阐明了另一种情况的加工变形预测。
俯视图中观察，U型结构毛坯与零件的相对位置(如图8(a))是空间包裹关系，外层材料12、零件13与内层材料14保持残余应力的平衡(如图8(d))，此时无加工变形。
在铣削加工过程中先去除外层材料12之后，此时由于非对称材料去除与残余应力释放，结构弯矩向外(如图8(e))，产生了显著的外凸变形(如图8(b))。
随着精加工过程去除了内层材料14，结构产生了一定的变形回复，但是仍然保持外凸变形(如图8(c))。虽然结构保持了内层材料12和外层材料14的几何对称去除，但是加工时序分先后，去除过程中的外凸变形随工艺流程保留，造就了U型零件的永久加工变形(如图8(f))。
通过U型结构内层/外层去除后的变形量与变形方向验证重构应力场的精度，并依据变形预测结果，可以在工艺制定阶段预留非对称余量，进而克服加工变形。
本发明通过坐标变换、跨方法验证、物理现象验证三种方式检验重构模型的精度，重构的全场应力可提升加工变形预测和控制精度。
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U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，使用圆柱坐标系和直角坐标系组成的混合坐标系重构U型结构的三维全场应力；
按照几何特征将U型结构分解为三个局部坐标系，分别为：一个圆柱坐标系LCS-A，用以描述U型结构的环形柱面体(1)；以及两个直角坐标系LCS-B1和LCS-B2，分别用以描述U型结构的第一矩形块(2)和第二矩形块(3)。
2.根据权利要求1所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，还包括，检验重构模型的精度的步骤，采用的检验方法包括跨方法验证、坐标变换验证、物理现象验证中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，所述跨方法验证中，对圆柱坐标系中的环形柱面体、或对直角坐标系中的第一矩形块(2)和/或第二矩形块(3)，按照设定方向切割，组合使用不同测试原理的机械与物理方法对切割平面的残余应力进行离散与连续测量。
4.根据权利要求3所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，所述切割平面的残余应力包括切割面内应力分量和切割面外应力分量；
切割面内应力分量是指平面应力分量，用σin表示；对于切割面内的平面应力分量，先使用常规无损XRD按照设定切割面内的应力分量测量点阵的间距进行离散测量，然后使用半损伤钻孔法再次按照该间距进行离散测量；
切割面外应力分量是指平面法向的应力分量，用σout表示；按照切割面外的应力分量扫描路径，使用轮廓法连续扫描切面法向的变形轮廓，通过微变形与应力的对应关系求解出连续的法向残余应力分布。
5.根据权利要求3或4所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，对于环形柱面体(1)的局部坐标系，以环形曲率中心为坐标原点，建立圆柱坐标系LCS-A，Z轴为高度方向，R轴为半径方向，T轴为环形切向；以环向0°，90°，180°等间距切面为测量平面，测量平面内的高度方向的残余应力σz(θ)和半径方向的残余应力σr(θ)，检验环形部分的对称性。
6.根据权利要求3或4所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，对于环形柱面体(1)的局部坐标系，以环形曲率中心为坐标原点，建立圆柱坐标系LCS-A，Z轴为高度方向，R轴为半径方向，T轴为环形切向；以高度方向中央平面分割，在新的切割平面上测量切向残余应力σt(θ)和径向残余应力σr(θ)，通过圆柱坐标系检验残余应力的对称性，判断[σt(θ),σr(θ)]在θ∈[0°～180°]范围内幅值分布是否与方位角θ无关。
7.根据权利要求3或4所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，U型结构的第一矩形块和第二矩形块关于中心线对称，建立两个对称的直角坐标系LCS-B1和LCS-B2，Z轴为高度方向，X轴为长度方向，Y轴为宽度方向；以高度方向Z的中央截面为基准截取第一矩形块或第二矩形块，测量分割后的矩形块的平面内的长度方向的残余应力σx和宽度方向的残余应力σy；以宽度方向Y的中央截面为基准截取第二矩形块或第一矩形块，测量分割后的矩形块的平面内的长度方向的残余应力σx和高度方向的残余应力σz。
8.根据权利要求2所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，所述坐标变换验证中，建立U型结构的全局坐标系，选取U型结构的曲率中心为坐标原点，设定广义坐标系：高度方向为Z轴，宽度方向为Y轴，长度方向为X轴；以圆弧过渡面为坐标变换基准，得环形柱面体与第一矩形块和第二矩形块的残余应力分量变换关系为：
{σz(A)＝σz(B1)＝σz(B2),σt(A)＝σx(B1)＝σx(B2),σr(A)＝σy(B1)＝σy(B2)}，组合叠加获得U型结构完整的三维残余应力场。
9.根据权利要求2所述的一种U型结构的残余应力场重构方法，其特征在于，所述物理现象验证中，使用重构的残余应力场计算零件铣削变形，通过U型结构内层材料/外层材料去除后的变形量与变形方向验证重构应力场的精度，并依据变形预测结果在工艺制定阶段预留非对称余量。
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