基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，将环状零件在径向切断，并用应变片测得切断前后内外表面的应变的变化，并对切断后的零件进行匀速加载使其弯曲，同时记录加载过程中内外表面连续的应变的变化，根据力以及弯矩平衡的边界条件，最终得到了零件内部环向以及径向的残余应力。这种残余应力测量方法避免了传统有损测量方法需要已知材料特性参数的缺点，特别是针对复合材料内部材质并不均匀且材料参数也并不一致的复杂特性，显著降低了材料参数测量过程的复杂程度。
【专利说明】 基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，属于机械工程领域中的应力测量方法。
【背景技术】:
[0002]复合材料的残余应力通常是指在制备和加工过程中残留在材料内部的应力。残余应力的存在，将对复合材料性能产生巨大影响，如使材料内部产生各种缺陷，改变材料的力学、物理及化学性能，降低材料的尺寸稳定性等，从而严重影响到材料的使用性能及使用寿命。因此，对复合材料残余应力的研究与表征，一直是材料研究与应用中必不可少的内容。在复合材料领域，为了确保重要复合材料构件在使用过程中的质量、寿命乃至安全，残余应力的控制己成为一项重要的质量控制标准。
[0003]由于残余应力对复合材料力学性能和尺寸稳定性的重要影响，在某些关键件的工艺标准中必须测试其残余应力水平。根据测试方法对被测试件是否破坏，可将残余应力测试方法分为有损测试法和无损测试法两大类。有损测试法以机械方法为主，其原理是用机械加工的方法将材料一部分除去，释放部分或全部残余应力并造成相应的位移与应变，再在某些部位测量这些位移或应变，通过力学分析推算出原始存在的残余应力。有损测试法主要包括钻孔法和环芯法，其中钻孔法使用得最多。
[0004]无损测试残余应力的方法大多属于物理方法。这些方法的原理是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力或应变间的关系，通过测定这一物理量推算出残余应力。无损测试方法主要包括:磁性应变法、声弹性法、X射线衍射、激光拉曼光谱法、中子衍射、同步辐射等一些方法。
[0005]以上各种无损测量方法中，它们的适合场合都受到不同程度的限制。例如，通常的X射线衍射无法深入材料内部，中子衍射或同步加速器X射线辐射虽然具有很强的穿透能力，强大的功能，然而这类昂贵的技术设备是很稀少的，难以得到普遍应用，激光拉曼光谱法以及磁性应变法都是针对特定材料的测量方法，同步辐射法对于设备的要求过于苛刻，都限制了其广泛的运用。
[0006]有损检测方法所需设备既不昂贵也不苛刻，而且大部分情况下都具有较高的精度，但是其需要被测零件材料的具体参数，针对复合材料在制造过程中，其材料的特性往往并不是唯一的，有时候甚至每层的材料的特性都不一样，在这种情况下若想用传统的有损检测法测量符合材料内部残余应力是困难重重，无法测得其准确值。传统的方法通过将材料一部分除去，释放部分或全部残余应力并造成相应的位移与应变，再在某些部位测量这些位移或应变，通过力学分析推算出原始存在的残余应力，这过程需要测量复合材料的一些特性，如弹性模量和泊松比等，而复合材料的这些特性往往不是唯一的，其在制造过程中往往受到诸多因素的影响，无法保证最终零件的材料特性是唯一的，有时候甚至同一零件的每层材料的特性都是相异的，因此具体材料参数的测量中所固有的困难导致了传统的残余应力有损测量方法受到了很严重的制约。
【发明内容】
:
[0007]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷，提供一种基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，通过对径向切割后的零件进行弯曲实验，测得零件的刚度，并同时得到弯矩和应变的关系，通过零件被径向切割前后测得的应变的变化，可以计算得到零件的内弯矩值，再根据测得的零件的刚度和其内弯矩值计算得零件的残余应力。
[0008]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0009]基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，包括如下步骤:
[0010]步骤一、在环状零件的中部沿同一半径方向的内外表明上分别贴上应变片，测量环状零件内外表面的环向应变；
[0011]步骤二、在环状零件上，与应变片黏贴处位于同一条直径上且相对的位置，将环状零件切断，使环状零件的内弯矩完全释放；
[0012]步骤三、读取环状零件室温下的应变值，检测得出环状零件被切割前后其内表面的环向应变变化八< 以及外表面环向应变变化Ag ;
[0013]步骤四、对切断后的环状零件施加拉力，使其弯曲，拉力的作用点所在直径与应变片黏贴处所在直径成90°角，以恒定的速率增加拉力，记录拉力值以及内外表面的应变
4、4随时间连续变化的趋势，具体计算方法如下:
[0014]将作用于应变片处的弯矩值表示为:
[0015]
【权利要求】
1.基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、在环状零件的中部沿同一半径方向的内外表面上分别贴上应变片，测量环状零件内外表面的环向应变； 步骤二、在环状零件上，与应变片粘贴处位于同一条直径上且相对的位置，将环状零件切断，使环状零件的内弯矩完全释放； 步骤三、读取环状零件室温下的应变值，检测得出环状零件被切割前后其内表面的环向应变变化八< 以及外表面环向应变变化Ai ; 步骤四、对切断后的环状零件施加拉力，使其弯曲，拉力的作用点所在直径与应变片粘帖处所在直径成90°角，以恒定的速率增加拉力，记录拉力值以及内外表面的应变4、4随时间连续变化的趋势，具体计算方法如下: 将作用于应变片处的弯矩值表示为:
2.如权利要求1所述的基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，其特征在于:在步骤二中，当切割后环状零件的内弯矩使得切割面紧闭时，则对环状零件进行再一次切割。
3.如权利要求1所述的基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，其特征在于:在步骤一中，对应变片用704硅胶进行密封。
4.如权利要求1所述的基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，其特征在于:在步骤二中，在对环状零件进行切断时，将贴应变片置于水中进行冷却。
5.如权利要求1所述的基于切断弯曲法的复合材料环状零件残余应力测量方法，其特征在于:在步骤四中， 使用材料试验机对切断后的环状零件进行施力，材料试验机的加载速率为 0.lmm/min。
【文档编号】G01L1/00GK103994842SQ201410248026
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】周兆锋, 倪骁骅, 汤沛, 夏文胜, 刘虎 申请人:盐城工学院