一种测量板件单向残余应力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种试件的内应力状态的测量方法，具体是指利用逐步切割后测 得的释放位移确定原始残余应力分布的试验方法。
【背景技术】
[0002] 残余应力是当没有外力作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。产生残余应 力的情况有多种，常见的有不均匀塑性变形，陡峭的热梯度以及相变等等。按照作用范围可 以将残余应力分为宏观残余应力和微观残余应力，这里只对宏观残余应力进行研究。
[0003] 在工程应用中，许多意外失效都是由外界因素与内部残余应力共同造成，而且残 余应力通常对材料性能和构件寿命产生很大影响。因此，准确评估结构中的残余应力十分 重要。测量残余应力的方法通常分为两种，即衍射方法和力学方法。
[0004] 衍射方法是测量残余应力的无损方法，例如X射线衍射法和中子衍射法。衍射方法 一般精度较高，且自动化程度高，但同时成本较高，难以广泛应用。此外，它们对试件表面状 况和微观结构改变比较敏感。参见文献[l]Ganguly S，Fitzpatrick M E，Edwards L.Use of neutron and synchrotron X-ray diffraction for evaluation of residual stresses in a 2024_T351aluminum alloy variable-polarity plasma-arc weld[J] .Metallurgical and Materials Transactions A,2006,37(2):411-420〇
[0005] 力学方法大多是破坏性方法，它们通常通过引入一个切槽或者小孔来释放原来的 残余应力从而造成残余应力的重分布。钻孔法、裂纹柔度法和云图法是最常见的破坏性方 法。钻孔法由于易于操作，设备较便宜等优点在工程中受到广泛应用，但在局部应力超过屈 服极限50%的时候就不再适用，而且钻孔法空间分辨率较为有限。裂纹柔度法具有较高的 空间分辨率并且测量结构的尺寸可以很大或很小，但是位于试件上表面或下表面的应变片 会造成在切槽尖端距离其较远时应变变化较小，从而导致结果的稳定性问题。云图法较为 直观而且操作简便，可以将断面位移的相反值作为边界条件施加到有限元模型从而得出原 始残余应力分布。因此，断面位移的测量精度很大程度上决定了云图法的评估精度。参见文 献[l]Prime Μ B.Residual stress measurement by successive extension of a slot: the crack compliance method[J].Applied Mechanics Reviews，1999，52(2):75-96，文 南犬[2]ASTM E837_13a:standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gauge method和文南犬[3]Prime MB and Gonzales A R.The contour method: simple 2_D mapping of residual stresses. In: Proceedings of the 6th International Conference on Residual Stresses,Oxford,UK.July 2000,vol.1, pp.617-24
【发明内容】
[0006] 本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种测量板件单向残余应 力的方法，只需要对板件进行分步切割并在每一次切割之后记录切割区域释放位移，通过 有限元辅助下的多次反推计算获得不同深度下的残余应力分布，最后取其平均值作为测量 结果，使得精度较现有切割法有所提升。
[0007] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种测量板件单向残余应力的方 法，该方法步骤为：
[0008] 步骤(1 )、散斑制作:将待测残余应力板件进行打磨，使其表面尽量光滑，然后对其 将要测量的表面部分进行喷漆制作散斑；
[0009] 步骤(2)、拍摄参考图像:将板件一端固定在试验机上，在垂直残余应力分布的方 向确定一条切割线，使用CCD相机沿着切割线拍摄图片作为参考图像；
[0010] 步骤(3)、分步切割并拍摄目标图像:沿着切割线对板件进行分步切割，并且在每 一次切割后利用CCD相机对切割部分拍摄图片作为目标图像；
[0011] 步骤(4)、数字匹配:通过DIC技术将参考图像与目标图像进行数字匹配得出每一 次切割后切割部分的垂直位移场；
[0012] 步骤(5)、计算不同切割深度下的残余应力:通过步骤(4)中测得的每一切割深度 下的释放位移及有限元辅助计算得到相对应每一切割深度下切割部分释放的应力场；
[0013] 步骤(6 )、确定原始残余应力:将步骤(5)获得的多个应力场求平均值，最终确定板 件原始残余应力分布。
[0014] 其中，所述的步骤(1)中散斑大小应适合CCD相机分辨率以及期待的测量精度。
[0015] 其中，所述的步骤(3)中，使用电动切割机沿着切割线对板件进行分步切割。
[0016] 其中，所述的步骤(4)中，为了减少物理切割引起的塑性变形造成的影响，提取距 离切槽边缘1mm的测量线(5)上的释放位移u，以此减少物理切割所引起的塑性变形的影响。
[0017] 其中，所述的步骤(5)中，通过每一切割深度测得释放位移u以及有限元辅助计算 所得的相应切割深度下位移系数标定矩阵D，代入公· u反推得出每一切割深度下 相应残余应力。
[0018] 其中，所述的步骤(5)中，由于有限元模型与实际切割板件在切槽前端有所差异， 导致计算所得的不同深度残余应力分布中位于切槽最前端的几点误差较大，需要将最前面 一点剔除之后再进行第六步的平均计算。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点：
[0020] (1)、本发明相对于裂纹柔度法，提高了计算结果的稳定性。因为在裂纹柔度法中， 应变片位于试件上表面或下表面从而导致了在切槽尖端距离其较远时应变变化很小，灵敏 度很低。而本发明直接测量了切割面的位移，不存在稳定性问题。
[0021] (2)、相对于云图法，本发明在计算结果的精度上有一定提高。云图法以一次性切 断面位移的相反值作为有限元模型的边界条件，从而得出原始残余应力分布。而在本发明 中，采用分步切割、多次评估不同深度下的残余应力，最终取算数平均作为结果的方法，改 善了评估精度。
【附图说明】
[0022]图1为本发明实现流程图；
[0023]图2为试件位移测量示意图；
[0024]图3为残余应力场离散示意图