基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法
2024-01-31 04:55:15 2
專利名稱：基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法
技術領域：
本發明涉及一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法，屬於測
量技術領域。
背景技術：
毛坯內應力在毛坯切割成零件的過程中將隨著材料不斷切除逐漸釋放並產生的 內應力不平衡，由此導致加工後零件發生變形。為了研究和控制加工變形必須對毛坯的內 應力進行測量，獲得毛坯內應力分布。現有多種測量殘餘應力的方法，根據測量原理不同可 以分為兩大類基於材料物理屬性的測量方法和基於材料去除的測量方法。前者包括X射 線法、超聲波法、磁性法和光彈性法等。後者包括小孔法、逐層法和裂紋柔度法等。x射線 法、超聲波法和磁性法僅能測量物體表層數微米範圍內的應力平均值，光彈性法雖然能測 量物體內部應力分布，但僅適用於透明物體，不適用於不透明的金屬毛坯。小孔法可以較準 確地測量鑽孔處數毫米深度範圍內的應力平均值，但是其測量深度也僅限於數毫米範圍以 內。逐層法和裂紋柔度法能夠測量毛坯內應力沿其厚度方向的分布，適用於測量均勻應力 場。對於鋁合金預拉伸板等類型的毛坯，其內應力通常僅沿毛坯厚度方向變化，而在同一厚 度的層內變化較小，近似於均勻分布。利用逐層法或者裂紋柔度法測量毛坯應力分布時需 測量試樣隨著材料逐層切除或者裂紋逐漸增大發生的應變，通常是通過粘貼應變片搭建電 橋來完成，要求操作人員具有較高的技術水平。同時，這兩種方法要求每切除一層材料或加 大裂紋深度都釋放一次夾具，然後再記錄一次應變數據，操作步驟多，效率不高。同時，逐層 法所得應力分布數據間隔等於每次所切除的材料層厚，同樣，裂紋柔度法所得應力分布數 據間隔等於相連兩次裂紋深度之差。對於厚度為數十毫米的毛坯，考慮到測量效率每次切 除的材料厚度或加大的深度通常為2毫米左右，因此兩者的解析度較低。
發明內容
本發明針對毛坯均勻應力分布的測量操作繁瑣、效率低、數據解析度低等問題，提 出了一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法，具有操作簡單、測量效 率高和數據解析度可達數十微米等優點，適合於毛坯內應力的快速測量
本發明為實現上述目的，採用如下技術方案 本發明基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，從塊狀毛坯的長度和寬度方向
分別截取兩個試樣，然後將兩試樣分別切割成兩個尺寸一致的斜楔結構並分別測量兩斜楔
底面的變形曲線，再由這兩個變形曲線利用斜楔算法分別計算出毛坯長度和寬度方向的正
應力沿毛坯厚度方向的分布；其中所述試樣為長方體，厚度與毛坯厚度一致，試樣被切割成
斜楔形，其底面沿長度方向在切割成斜楔結構前先預加工出一個變形測量帶。 所述試樣寬度與厚度的比值範圍可為1至IO，長度與寬度的比值範圍可為2至5。 所述所述斜楔最大厚度等於試樣厚度，斜楔最小厚度為零，斜楔的長度和寬度分
別等於試樣的長度和寬度，斜楔底面與切割前的試樣被加工出變形測量帶的底面為同一底面。 所述試樣的測量帶與試樣底面平行的矩形面光滑平直，該矩形面長度等於試樣長 度，寬度為1至5毫米，且位於試樣底面寬度方向的中間位置，距離試樣底面0. 1至0.2毫 米。 試樣切割成斜楔時，在內應力作用下測量帶發生彎曲的變形量沿其測量帶長度方 向變化的曲線；所述變形曲線的測量方法如下將斜楔底面朝上，利用固定不動的非接觸 式的雷射位移傳感器對準測量帶中央位置，使斜楔沿其長度方向水平移動與雷射位移傳感 器構成相對運動完成底面變形曲線掃描，掃描中兩次採樣點的空間距離小於0. 05毫米。
所述斜楔算法如下依據變形曲線計算出斜楔截取方向的正應力沿厚度方向的分 布，斜楔長度方向為X軸，厚度方向為Z軸，則具體計算方法見式(1):
formula see original document page 5 其中0 (z)為正應力沿厚度方向的變化函數，z二/f-了，E為試樣材料的彈性
模量，p為試樣材料的泊松比，L為試樣長度，H為試樣高度，x為X軸坐標值；取斜楔厚度 最大端底面上的一個頂點為坐標原點，取值範圍為0至L， p 。x為變形曲線在坐標為x處的 曲率半徑函數；LX為斜楔在坐標為x處的截面彎曲後，截面的彎曲中性層與截面的中間位 置的距離函數；所述中間位置是指截面沿斜楔厚度方向的中間位置，其可由式(2)解得
AXLX+BXL' X+Cx = 0 (2) 其中參數Ax = 2Lpcx '，參數^ —x) — 2Z^a ，參數
formula see original document page 5且pcx'為曲率半徑函數p^在x處的一階數，L' x為函 數Lx在x處的一階導數，Lx在邊界x = 0處的值為-;。 基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法的誤差修正方法，包括如下步驟首先， 依據試樣尺寸建立兩個數值模型並賦予試樣的材料參數；然後，分別賦予兩個模型初始內 應力分布；再後，利用數值方法分別計算出兩模型加工成斜楔的底面附加變形曲線；最後， 將所述變形曲線減去相應的附加變形曲線得到新變形曲線，基於所述新變形曲線利用斜楔 算法計算出新的應力分布結果。 所述兩個數值模型分別代所述長度和寬度方向的試樣，尺寸與對應試樣一致。
所述兩個模型初始內應力分布，將代表毛坯長度方向試樣的模型僅賦予毛坯寬度 方向的正應力分布，將代表毛坯寬度方向試樣的模型僅賦予毛坯長度方向的正應力分布； 毛坯寬度方向的正應力分布和毛坯長度方向的正應力分布均由斜楔算法計算而得。
於所述附加變形曲線，含有初始應力的模型在數值仿真中被切割成斜楔時，底面
發生的變形隨著斜楔長度方向的變化曲線。 本發明具有如下效果1、能夠測量到毛坯內應力沿毛坯厚度方向的分布。2、試樣 直接加工成斜楔，無須多次釋放夾具，僅測量一次斜楔底面變形曲線，因此測量效率高。3、用非接觸的雷射位移傳感器掃描底面變形曲線代替測量應變，簡化了測量工序。4、變形曲 線掃描時採樣點間隔小於0. 05毫米，使得應力沿厚度方向分布數據的間隔遠小於0. 05毫 米，解析度大大提高。
圖1為本發明的基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法的一較 佳實施流程圖。 圖2-圖5依次為本發明的基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方 法的四個實施狀態示意圖。 圖1-圖5中標號名稱101-115、方法實施步驟，1、毛坯板，11、毛坯板長度方向， 12、毛坯板寬度方向，2、毛坯長度方向試樣，21、斜楔1，22、斜楔2，3、毛坯寬度方向試樣，4、 試樣或斜鍥底面，5、測量帶，6、試樣長度方向正應力沿厚度方向的分布，7、雷射位移傳感器。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明 本發明涉及一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法，通過將 毛坯加工成斜楔結構後測量其低面變形曲線，由該變形曲線計算出毛坯的內應力分布。通 過數值方法對該方法進行誤差修正，可以獲得較高測量精度。現具體介紹本發明涉及方法 的具體實施方案。 圖1為本發明的基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法的一較 佳實施流程。 步驟IOI :如圖2所示，從毛坯板1上截取毛坯長度方向試樣2和毛坯寬度方向試 樣3，毛坯長度方向試樣2的長度方向與毛坯長度方向11 一致，毛坯寬度方向試樣3的長度 方向與毛坯寬度方向12—致，且長度方向試樣2和毛坯寬度方向試樣3的尺寸一致，兩者 厚度與毛坯1厚度一致，兩者寬度取毛坯1厚度的5倍，兩者長度取毛坯1厚度的10倍。
步驟102 :如圖3所示，將毛坯長度方向試樣2的底面4朝上並加工出貫穿試樣長 度方向，寬度為5毫米，深度約為0. 1毫米的測量帶5。測量帶5的深度與試樣底面4的平 整度有關，如試樣底面4非常不平整，加工時應採用較小的材料切除厚度，如0. 05毫米，逐 層去除直至測量帶與底面平行的面平直。對毛坯寬度方向試樣3進行同樣的操作。
步驟103 :如圖4所示，將毛坯長度方向試樣2沿其長度和厚度所在的矩形面的對 角線切割成斜楔1-一21和斜楔2-—22。如採用線切割的方法切割，可以得到上述兩個斜 楔。如採用銑削的方法則應保證獲得完整尺寸的斜楔1-一21，而斜楔2-—22則會被切碎因 此不能得到。後續計算僅需要斜楔1-一21的底面變形數據，所以兩種方法均可以滿足測量 要求。對毛坯寬度方向試樣3進行同樣的操作。 步驟104 :如圖5所示，斜楔底面4變形曲線的測量可在三座標測量機或者三自由 度工具機等平臺上進行，將雷射位移傳感器7固定於平臺上方，使得其雷射光線向下發射並 垂直於平臺的運動方向，將斜楔底面4朝上固定於平臺上能夠做水平運動的部件上。隨著 平臺運動部件水平勻速移動，斜楔底面4相對固定的雷射位移傳感器7移動，進行變形曲線掃描。由於斜楔底面4上的測量帶5加工後發生變形，隨著掃描的進行測量帶5的各被測 量點與雷射位移傳感器7發生相對位移，位移量由雷射位移傳感器7採集並保存。可設置 移動速度為300毫米/分鐘，雷射位移傳感器7的採樣間隔為10毫秒，則相鄰兩數據點間 距為0. 05毫米。同時設置斜楔底面4上最左端的位置即X軸的原點為參考零位，隨著掃描 進行，後續採集的位移數據構成斜楔底面4的加工變形曲線。對毛坯寬度方向試樣3加工 得到的斜楔進行同樣的變形曲線操作。共計獲得兩個斜楔的兩個變形曲線。
步驟105 :計算兩個變形曲線上各處的曲率半徑。
步驟106 :依據式(2)分別計算毛坯長度和寬度方向的Lx。 步驟107 :依據式(1)分別計算毛坯長度方向的正應力分布和寬度方向的正應力 分布。 步驟108 :判斷是否為初次計算結果。當步驟105-步驟107第一次被依次執行後 的結果為初尺計算結果，轉入步驟109，否則轉入步驟114。 步驟109 :在有限元軟體中分別建立毛坯長度方向試樣2和毛坯寬度方向試樣3 的數值模型，並賦予與毛坯材料相同的材料參數。 步驟110 :將毛坯寬度方向試樣3由步驟107計算所得的應力分布賦予毛坯長度 方向試樣2的數值模型。將毛坯長度方向試樣2由步驟107計算所得的應力分布賦予毛坯 寬度方向試樣3的數值模型。 步驟111 :在仿真軟體中進行斜楔加工仿真，由毛坯長度方向試樣2的數值模型得
到一個斜楔，由毛坯寬度方向試樣3的數值模型得到另外一個斜楔。 步驟112 :分別讀取加工仿真所的兩斜楔的底面變形曲線，稱為附加變形曲線。
步驟113 :將毛坯長度方向試樣2的實際加工所得斜楔的底面變形曲線減去毛坯
長度方向試樣2的數值模型加工仿真所得斜楔的底面變形曲線，得到該方向試樣的新底面
變形曲線。對毛坯寬度方向試樣3做同樣操作也可獲得一新底面變形曲線。共計獲得兩個
新變形曲線。 利用兩新變形曲線，重複步驟105-108後得到新的應力分布計算結果。從步驟 109-105-108的這一過程為誤差修正過程，且修正完畢後進入步驟114。
步驟114 :將修正後的新應力分布與前次計算結果相比較，設定兩者差異的門檻 值。當低於設定的門檻值時，精度合格，進入步驟115，否則重新進入步驟IIO，再次進行誤
差修正。 步驟115 :測量完成，獲得了毛坯長度方向的正應力和寬度方向的正應力沿其厚 度方向的分布。 以上所述僅為本發明涉及的一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差 修正方法的一個較佳實施方式，但本發明的實施範圍並不局限於此例。
權利要求
一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於從塊狀毛坯的長度和寬度方向分別截取兩個試樣，然後將兩試樣分別切割成兩個尺寸一致的斜楔結構並分別測量兩斜楔底面的變形曲線，再由這兩個變形曲線利用斜楔算法分別計算出毛坯長度和寬度方向的正應力沿毛坯厚度方向的分布；其中所述試樣為長方體，厚度與毛坯厚度一致，試樣被切割成斜楔形，其底面沿長度方向在切割成斜楔結構前先預加工出一個變形測量帶。
2. 根據權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於所述 試樣寬度與厚度的比值範圍可為1至IO，長度與寬度的比值範圍可為2至5。
3. 根據權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於所述 所述斜楔最大厚度等於試樣厚度，斜楔最小厚度為零，斜楔的長度和寬度分別等於試樣的 長度和寬度，斜楔底面與切割前的試樣被加工出變形測量帶的底面為同一底面。
4. 根據權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於所 述試樣的測量帶與試樣底面平行的矩形面光滑平直，該矩形面長度等於試樣長度，寬度為1 至5毫米，且位於試樣底面寬度方向的中間位置，距離試樣底面0. 1至0. 2毫米。
5. 根據權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於試 樣切割成斜楔時，在內應力作用下測量帶發生彎曲的變形量沿其測量帶長度方向變化的曲 線；所述變形曲線的測量方法如下將斜楔底面朝上，利用固定不動的非接觸式的雷射位 移傳感器對準測量帶中央位置，使斜楔沿其長度方向水平移動與雷射位移傳感器構成相對 運動完成底面變形曲線掃描，掃描中兩次採樣點的空間距離小於0. 05毫米。
6. 根據權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法，其特徵在於所述 斜楔算法如下依據變形曲線計算出斜楔截取方向的正應力沿厚度方向的分布，斜楔長度 方向為X軸，厚度方向為Z軸，則具體計算方法見式(1):7 h 2iZ/ + (2 +肌-歷)(x - Z) , + 2Z丄,[& + (丄-x),]CT(Z) = _^--^-^-^ (1)(l一〃2) [2丄/^+//(丄一x) + 2丄丄,]2其中o (z)為正應力沿厚度方向的變化函數，Z二if-^，E為試樣材料的彈性模量，P為試樣材料的泊松比，L為試樣長度，H為試樣高度，x為X軸坐標值；取斜楔厚度最大端 底面上的一個頂點為坐標原點，取值範圍為0至L， P 。x為變形曲線在坐標為x處的曲率半 徑函數；LX為斜楔在坐標為x處的截面彎曲後，截面的彎曲中性層與截面的中間位置的距 離函數；所述中間位置是指截面沿斜楔厚度方向的中間位置，其可由式(2)解得 AXLX+BXL' X+Cx = 0 (2)其中參數、=21^'，參數&=-^(丄-力—2丄/^ ,參數<^=/^ +|(丄—pcx'為曲率半徑函數PM在x處的一階數，L' x為函數Lx在x處的一階導數，Lx在邊界x = 0處的值為-^ 。6
7. —種基於權利要求1所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法的誤差修正方法，其特徵在於包括如下步驟首先，依據試樣尺寸建立兩個數值模型並賦予試樣的材料 參數；然後，分別賦予兩個模型初始內應力分布；再後，利用數值方法分別計算出兩模型加工成斜楔的底面附加變形曲線；最後，將所述變形曲線減去相應的附加變形曲線得到新變 形曲線，基於所述新變形曲線利用斜楔算法計算出新的應力分布結果。
8. 根據權利要求7所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法的誤差修正方法， 其特徵在於所述兩個數值模型分別代所述長度和寬度方向的試樣，尺寸與對應試樣一致。
9. 根據權利要求7所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法的誤差修正方法， 其特徵在於所述兩個模型初始內應力分布，將代表毛坯長度方向試樣的模型僅賦予毛坯寬 度方向的正應力分布，將代表毛坯寬度方向試樣的模型僅賦予毛坯長度方向的正應力分 布；毛坯寬度方向的正應力分布和毛坯長度方向的正應力分布均由斜楔算法計算而得。
10. 根據權利要求7所述的基於斜楔結構的內應力分布快速測量方法的誤差修正方 法，其特徵在於所述附加變形曲線，含有初始應力的模型在數值仿真中被切割成斜楔時，底 面發生的變形隨著斜楔長度方向的變化曲線。
全文摘要
本發明公布了一種基於斜楔結構的內應力分布快速測量及其誤差修正方法，屬於測量技術領域。該方法通過將毛坯加工成斜楔結構後測量其低面變形曲線，由該變形曲線計算出毛坯的內應力分布。通過數值方法對該方法進行誤差修正，可以獲得較高測量精度。
文檔編號G01L1/24GK101782445SQ20101902610
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者何寧, 史琦, 李亮, 楊吟飛, 趙威, 陳玲玲 申請人:南京航空航天大學