基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，首先采用有限元分析的方法确定零件合适的长度，根据有限元分析结果截取零件合适的长度进行测量，采用化铣剥层进行逐层去除材料，并用有限元计算其补偿系数，最终根据每次剥层后用X射线法测得的表面应力值以及有限元计算得到的补偿系数计算零件的真实初始应力。本发明公开的应力测量方法计算简单、精度可靠，且对零件长度的要求并不苛刻。克服了现有技术中惯用的Moore和Evans的修正方法所存在的计算复杂、对零件以及应力要求较为苛刻，以及其精度往往还达不到要求等诸多问题。
【专利说明】基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种应力测量方法，具体为一种基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，涉及机械工程领域。
【背景技术】
[0002]残余应力是物体在外力卸载后或无力作用状态下，其内部仍然存在的自相平衡的应力，由于其存在，零件的静力强度、疲劳强度、及抗腐蚀性能均会收到严重影响，使得零件在制造工程中产生开裂和变形等诸多方面的工艺缺陷，从而其使用寿命受到严重影响；同时残余应力的存在还会严重影响到零件的几何稳定性和尺寸稳定性，使得零件在精度上也受到严重的制约。由于钛合金材料密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等诸多方面的优点，目前在航空领域应用为较广泛。其加工引起的表面残余应力同样会影响到该零件的各方面的性能，因此研究钛合金零件加工表面残余应力，在航空领域具有重要意义。
[0003]从上世纪30年代起，在残余应力测量领域国内外已经取得了令人瞩目的成果，目前广泛使用的测量方法已有十余种，主要分为有损检测法和无损检测法两类。有损检测法主要包括环芯法、钻孔法、分割切条法等，其优点为理论完善、技术成熟、测量精度较高，主要缺点是该方法会对零件造成一定的破坏。无损测量法即物理检测法，主要有中子衍射法、X射线法、扫描电子声显微镜法、超声法和磁性法、电子散斑十涉法等，其优点为对被被测零件无损害，缺点为成本较高、所需设备昂贵，在某些场合下其测量精度还不尽人意。
[0004]目前在工业上运用最为广泛且技术最为成熟的测量方法是X射线法。对于工业上常用的金属材料，由于X射线的穿透能力往往很差，通常只能穿透几微米的深度，若要测得随深度不断变化的残余应力值，必须将X射线法与剥层去除材料进行结合来测量。在对零件进行剥层去除材料过程中，残余应力的原平均状态会被破坏，其应力状态会发生变化从而达到一个新的平衡状态，即剥层后其表面残余应力值已经发生一定的变化，此时用X射线法测量得到的应力值并不能代表原先的实际应力值，为了较准确测量初始残余应力值，对剥层后用X射线法测量得到的应力值必须进行修正和补偿。
[0005]纵观国内外文献可知,从1958年Moore和Evans提出的筒状工件残余应力修正公式以来，在该方面并未有突出进展，目前其仍然是工业上运用最为广泛的修正补偿方法，其修正公式为:
【权利要求】
1.基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，其特征在于，具体步骤如下: 步骤一、在有限元软件中对筒状零件的截面进行建模，通过对所述有限元软件进行二次开发，确定筒状零件的轴向长度； 步骤二、根据有限元分析的结果用线切割截取步骤一中得到的筒状零件的轴向长度； 步骤三、用X射线法测量筒状零件外壁轴向中部的轴向残余应力σζ(ι和切向残余应力σ to ? 步骤四、对筒状零件外壁进行化铣剥层，剥层后用X射线法测量剥层后的新生表面的轴向和切向的残余应力oz1、Oti，重复上述化铣剥层以及测量的操作，直至所测量的轴向和切向的残余应力值持续为O ; 步骤五、在有限元软件中根据筒状零件的实际尺寸进行建模，并根据步骤四中每次化铣剥层的深度将所述模型分割，向模型施加残余应力值，运用生死单元技术计算每次剥层后残余应力的修正系数； 步骤六、根据步骤五得到的修正系数对筒状零件每次剥层后的表面残余应力值进行修正，得到筒状零件外壁随深度变化的实际残余应力值。
2.如权利要求1所述的基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，其特征在于:所述筒状零件的长度和外径比值λ满足λ > 1.11。
3.如权利要求1所述的基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，其特征在于:所述步骤四的化铣剥层方法中，化铣液的成分为氢氟酸和硝酸。
4.如权利要求1所述的基于有限元补偿系数的筒状零件表面加工应力测量方法，其特征在于，所述步骤五中得到的修正系数和所述步骤六中得到的实际残余应力值的具体计算方法为:
【文档编号】G01L1/25GK103983386SQ201410212138
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】周兆锋, 倪骁骅, 高飞, 成岗, 孟龙晖 申请人:盐城工学院