一種基于裂紋柔度的板材內部殘余應力檢測方法技術

一種基于裂紋柔度的板材內部殘余應力檢測方法，用于測試材料內部的殘余應力分布情況，包括以下步驟：（1）試樣制備，（2）應變片粘貼，（3）裝夾定位，（4）參數選定，（5）測試實驗，（6）突發狀況應對機制以及（7）柔度函數計算等步驟。該方法系統、準確地完成基于裂紋柔度法的殘余應力測試實驗的應變采集，同時可以高效完成柔度函數的計算，最終方便工程人員快捷、高效地獲得所測材料的殘余應力；該方法通過對測試規程的系統化和規范化，提高了應變采集的精度和效率，且有限元法柔度函數計算速度快、效率高，可廣泛應用于工程中板材內部應力的檢測。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】，用于測試材料內部的殘余應力分布情況，包括以下步驟：（1）試樣制備，（2）應變片粘貼，（3）裝夾定位，（4）參數選定，（5）測試實驗，（6）突發狀況應對機制以及（7）柔度函數計算等步驟。該方法系統、準確地完成基于裂紋柔度法的殘余應力測試實驗的應變采集，同時可以高效完成柔度函數的計算，最終方便工程人員快捷、高效地獲得所測材料的殘余應力；該方法通過對測試規程的系統化和規范化，提高了應變采集的精度和效率，且有限元法柔度函數計算速度快、效率高，可廣泛應用于工程中板材內部應力的檢測。【專利說明】
本專利技術涉及一種適用于預拉伸板材內部殘余應力的檢測方法，屬于材料內部應力檢測
。
技術介紹
高強度變形鋁合金因其密度小、強度高、抗應力腐蝕性能好等優點，已成為航空整體結構件的常用材料。在整體結構件的銑削加工過程中，由于毛坯初始殘余應力而引起的加工變形，已成為制約我國航空整體結構件制造的關鍵難題之一。因此，毛坯初始殘余應力的精確測量是實現對航空整體結構件變形預測與分析的基礎和前提。隨著技術的發展，近幾年先后提出了逐層鉆孔法、剝層法、剝層X射線衍射法、中子衍射法、裂紋柔度法等殘余應力測試方法，其中裂紋柔度法與其它方法相比，具有靈敏度高、精度好，操作簡單、費用低等優勢，特別適用于鋁合金預拉伸板材這種應力分布方向性、規律性較強的材料。裂紋柔度法最早是由M.B.Prime應用到鋁合金預拉伸板材的殘余應力測試，之后有人利用鉆孔法與X射線衍射法驗證了裂紋柔度法的敏感性和準確性；有人通過引入權函數對殘余應力的測量和計算進行了改進，并用梁彎曲試驗驗證了其合理性；有人基于應力總不確定度最小，確定了最優插值函數階數的選取方法。然而，在這些研究中，沒有對應變采集精度及柔度函數的計算方式進行探究，它們對計算的精度和效率有著較大的影響。
技術實現思路
針對裂紋柔度法對材料內部殘余應力的檢測存在的精度和效率較低的問題，為了提高應變的采集精度，本專利技術提供，該方法對應變采集精度及柔度函數的計算方式進行探究，提高了殘余應力的計算精度和檢測效率。本專利技術的基于裂紋柔度的材料內部殘余應力檢測方法，包括以下步驟:(I)試樣制備:在板材的內部(遠離板材邊緣的區域)截取試樣，試樣的長度和寬度尺寸均為板材厚度尺寸的2.3-2.5倍，切割試樣時試樣的長度和寬度邊界至少有一個與板材軋制方向垂直或平行，再截取一塊用于應變的補償試樣；以試樣的一個切割面作為第一基準面，與第一基準面相鄰的一個切割面作為第二基準面，沒有切割過的試樣兩個表面作為試樣的正反面(也就是板材的正反面)，清除試樣各表面的污物，在試樣的相應位置標記出板材的軋制方向、試樣的基準面和試樣的正反面；(2)粘貼應變片:①應變片粘貼位置的選定:基于第一基準面，在試樣正面畫豎直和水平的兩條對稱線，稱為正面豎直基準線和正面水平基準線，在試樣反面畫豎直和水平的兩條對稱線，稱為反面豎直基準線和反面水平基準線；在試樣的正面畫一條與正面豎直基準線平行且間距為5mm的豎直定位線，以該豎直定位線和正面水平基準線的交點為中心，準備貼一片正面應變片，保證正面應變片的豎直定位角對準豎直定位線；以反面豎直基準線和反面水平基準線的交點為中心準備貼一片反面應變片，保證反面應變片的豎直定位角與反面豎直基準線重合；②應變片檢查:應變片使用前應進行外觀檢查和阻值測量，外觀檢查就是檢查敏感柵有無銹斑和缺陷，基底覆蓋層有無破損，基底是否有氣泡、皺折和坑點；引線是否牢固；阻值檢測就是檢查應變片是否有短路或斷路情況，其阻值是否在應變采集箱可平衡范圍內；③試樣表面處理:打磨試樣需貼應變片的位置并用酒精將打磨過的表面擦拭干凈;④粘貼應變片:在應變片的背面滴上速干膠，并將膠刮平，按步驟①給出的應變片的粘貼位置準確粘上正面應變片和反面應變片，在應變片上蓋一層聚乙烯薄膜，沿應變片軸線方向用手指滾壓1-2分鐘，排凈氣泡并擠出多余的速干膠，待速干膠自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；⑤對粘貼的應變片檢查:對基底有損壞、敏感柵有變形短路和斷路、貼片位置不正確、有氣泡、局部沒粘上、絕緣強度不符合要求的情況，應排除或鏟除重貼；將應變片的兩根引線挑起，截取一塊接線端子，粘在應變片的后面；⑥連線:將應變片的引線焊到接線端子的一端，把數據連接線焊到接線端子的另一端，連接好端子后，對應變片進行電阻測試，確保測試的阻值與應變片的標定阻值一樣，并在應變片上涂抹絕緣膠作為防護；然后將試樣的數據連接線連到應變采集箱的1-8通道上，補償試樣的連接線接到應變采集箱的補償通道上；試樣和補償件用一根導電線連接，再將導電線連接到應變采集箱的地線接口上，保證試樣與應變采集箱可靠接地；(3)裝夾和定位:將試樣的第一基準面置于線切割機床的工作臺上，并裝夾在，貼有正面應變片的一側懸空，并對試樣的反面表面找平，最終保證試樣的被加工面與機床的XOZ面平行；然后將電極絲移動到工件的反面，并移動到電極絲與該面的反面基準線對齊，此時為機床的X軸清零，然后將電極絲移回至試樣正面；同時對y軸清零；(4)切割參數選定:切割參數包括進給量和進給次數，將進給次數定在30-40次；最終不需要將工件切斷:切割到工件厚度的95%-98%時獲得的數據都是有效的，當快切割到試樣反面的時候，在機床不通電的情況下，托起懸空的試樣，托起的力等于試樣的重量，如果讀數有明顯的波動則立刻停止切割；如果出現讀數無法穩定的情況，停止切割；最大切割到試樣厚度的98% ；(5)測試實驗:每次進給結束后，保持電極絲在最終的位置持續工作10-15秒，然后停止切割并將電極絲斷電，待應變數據穩定在1_2μ ε內變化時，記錄數據并繼續切割；( 6 )突發情況處理方法:①斷絲:如果斷絲應立刻停機，并記錄此時的應變數值，并將電極絲移出試樣，重新穿絲，然后在給電極絲定位時將電極絲移到裂縫的尖端，待應變數據穩定后記錄此時的數據；如果因為材料屬性問題裂縫發生閉合，無法將電極絲移至裂縫尖端，則在裂縫內進行穿絲；如果無法實現穿絲，從試樣表面重新切入；②裂縫閉合:裂縫發生閉合，則從頭再切進去；③裂紋擴展:當切割到殘余拉應力區時，裂紋發生自發地擴展，此時測試停止，當然這種情況極少發生；(7)測試后的相關尺寸測量，需要采集如下參數:①裂紋的寬度，在裂縫的末端量取；②切口到應變片中心的距離；③試樣的厚度；④裂紋的長度；⑤將試樣反過來重復1-4步，然后取數值的平均值；(8)柔度函數的計算:采用有限元軟件來進行柔度函數的計算，首先對試樣建模，并將插值函數作為初始應力載荷沿厚度方向施加到模型上，通過模擬裂紋的產生，同時輸出所需點的位移值來得到柔度函數值；步驟如下:①建模與網格劃分:根據試樣的對稱性，以線切割的裂紋為對稱軸，對半個試樣建模和網格劃分，采用八節點平面應變單元，試樣左側網格間距為裂紋寬度的一半，其余網格從左往右過渡到網格間距2mm，并輸入材料的彈性模量和泊松比；②載荷與邊界條件:約束試樣左側X方向及左下側端點的x、z方向的位移自由度；并利用Load Case功能將2_14階勒讓德多項式分別作為初始應力載荷沿板的厚度方向加載；③裂紋模擬及數據輸出:通過使裂紋處單元依次失效來模擬裂紋的產生，最終輸出應變片所在位置處節點的位移值。本專利技術可以系統、準確地完成基于裂本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于裂紋柔度的材料內部殘余應力檢測方法，其特征是：包括以下步驟：（1）試樣制備：在板材的內部截取試樣，試樣的長度和寬度尺寸均為板材厚度尺寸的2.3?2.5倍，切割試樣時試樣的長度和寬度邊界至少有一個與板材軋制方向垂直或平行，再截取一塊用于應變的補償試樣；以試樣的一個切割面作為第一基準面，與第一基準面相鄰的一個切割面作為第二基準面，沒有切割過的試樣兩個表面作為試樣的正反面，清除試樣各表面的污物，在試樣的相應位置標記出板材的軋制方向、試樣的基準面和試樣的正反面；（2）粘貼應變片：①應變片粘貼位置的選定：基于第一基準面，在試樣正面畫豎直和水平的兩條對稱線，稱為正面豎直基準線和正面水平基準線，在試樣反面畫豎直和水平的兩條對稱線，稱為反面豎直基準線和反面水平基準線；在試樣的正面畫一條與正面豎直基準線平行且間距為5mm的豎直定位線，以該豎直定位線和正面水平基準線的交點為中心，準備貼一片正面應變片，保證正面應變片的豎直定位角對準豎直定位線；以反面豎直基準線和反面水平基準線的交點為中心準備貼一片反面應變片，保證反面應變片的豎直定位角與反面豎直基準線重合；②應變片檢查：應變片使用前應進行外觀檢查和阻值測量，外觀檢查就是檢查敏感柵有無銹斑和缺陷，基底覆蓋層有無破損，基底是否有氣泡、皺折和坑點；引線是否牢固；阻值檢測就是檢查應變片是否有短路或斷路情況，其阻值是否在應變采集箱可平衡范圍內；③試樣表面處理：打磨試樣需貼應變片的位置并用酒精將打磨過的表面擦拭干凈；④粘貼應變片：在應變片的背面滴上速干膠，并將膠刮平，按步驟①給出的應變片的粘貼位置準確粘上正面應變片和反面應變片，在應變片上蓋一層聚乙烯薄膜，沿應變片軸線方向用手指滾壓1?2分鐘，排凈氣泡并擠出多余的速干膠，待速干膠自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜；⑤對粘貼的應變片檢查：對基底有損壞、敏感柵有變形短路和斷路、貼片位置不正確、有氣泡、局部沒粘上、絕緣強度不符合要求的情況，應排除或鏟除重貼；將應變片的兩根引線挑起，截取一塊接線端子，粘在應變片的后面；⑥連線：將應變片的引線焊到接線端子的一端，把數據連接線焊到接線端子的另一端，連接好端子后，對應變片進行電阻測試，確保測試的阻值與應變片的標定阻值一樣，并在應變片上涂抹絕緣膠作為防護；然后將試樣的數據連接線連到應變采集箱的1?8通道上，補償試樣的連接線接到應變采集箱的補償通道上；試樣和補償件用一根導電線連接，再將導電線連接到應變采集箱的地線接口上，保證試樣與應變采集箱可靠接地；（3）裝夾和定位：將試樣的第一基準面置于線切割機床的工作臺上，并裝夾在，貼有正面應變片的一側懸空，并對試樣的反面表面找平，最終保證試樣的被加工面與機床的xoz面平行；然后將電極絲移動到工件的反面，并移動到電極絲與該面的反面基準線對齊，此時為機床的x軸清零，然后將電極絲移回至試樣正面；同時對y軸清零；（4）切割參數選定：切割參數包括進給量和進給次數，將進給次數定在30?40次；最終不需要將工件切斷：切割到工件厚度的95%?98%時獲得的數據都是有效的，當快切割到試樣反面的時候，在機床不通電的情況下，托起懸空的試樣，托起的力等于試樣的重量，如果讀數有明顯的波動則立刻停止切割；如果出現讀數無法穩定的情況，停止切割；最大切割到試樣厚度的98%；（5）測試實驗：每次進給結束后，保持電極絲在最終的位置持續工作10?15秒，然后停止切割并將電極絲斷電，待應變數據穩定在1?2με內變化時，記錄數據并繼續切割；（6）突發情況處理方法：①斷絲：如果斷絲應立刻停機，并記錄此時的應變數值，并將電極絲移出試樣，重新穿絲，然后在給電極絲定位時將電極絲移到裂縫的尖端，待應變數據穩定后記錄此時的數據；如果因為材料屬性問題裂縫發生閉合，無法將電極絲移至裂縫尖端，則在裂縫內進行穿絲；如果無法實現穿絲，從試樣表面重新切入；②裂縫閉合：裂縫發生閉合，則從頭再切進去；③裂紋擴展：當切割到殘余拉應力區時，裂紋發生自發地擴展，此時測試停止，當然這種情況極少發生；（7）測試后的相關尺寸測量，需要采集如下參數：①裂紋的寬度，在裂縫的末端量取；②切口到應變片中心的距離；③試樣的厚度；④裂紋的長度；⑤將試樣反過來重復1?4步，然后取數值的平均值；（8）柔度函數的計算：采用有限元軟件來進行柔度函數的計算，首先對試樣建模，并將插值函數作為初始應力載荷沿厚度方向施加到模型上，通過模擬裂紋的產生，同時輸出所需點的位移值來得到柔度函數值；步驟如下：①建模與網格劃分：根據試樣的對稱性，以線切割的裂紋為對稱軸，對半個試樣建模和網格劃分，采用八節點平面應變單...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫杰，周長安，李劍峰，羅育果，駱金威，汪海晉，路來驍，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：