一种基于载荷测量的残余应力检测方法
【专利摘要】本发明属于检测【技术领域】，公开一种基于载荷测量的残余应力检测方法，该方法将检测构件建立计算机几何模型，采用有限元方法对模型施加约束、在加载点施加载荷后进行线弹性有限元静力分析，读取实验测点的应力σ'b1，如果应力σ'b1分量的最大值小于0.1MPa，则调整加载点位置或加大载荷以保证大于0.1MPa；检测构件施加与计算机几何模型相同的约束与载荷，应变实验获得实验测点的应力值σc1；将σ'b1转换到实验测点的局部坐标下有σb1，计算σc1-σb1，得到构件在实验测点的残余应力σa1。基于本发明的方法，检测过程不损伤构件表面，解决了现有机械式残余应力方法对构件有损伤的难题；此外，本发明的方法还应用方便、简单、灵活。
【专利说明】一种基于载荷测量的残余应力检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于检测【技术领域】，涉及一种机械式残余应力检测的方法，特别涉及一种 构件残余应力的机械式无损检测方法。
【背景技术】
[0002] 工程结构的不少构件由于加工制造的原因、或因为装配工艺的需要、或承受了超 过其材料屈服极限的载荷，将在构件中或多或少的驻留残余应力。而残余应力的存在，除了 某些特殊情况（如压力容器的预应力有助提高承载压力）外对构件的影响一般都是负面 的，不仅降低了结构的强度、疲劳等力学性能影响其使用安全性，而且更严重的是引起构件 翘曲开裂导致功能失效。
[0003] 根据检测方法是否对被测构件造成损伤，残余应力的检测方法分为有损检测法和 无损检测法两类：有损检测法也称机械释放检测法，主要有钻孔法，分割切条释放法、逐层 剥离法、压痕应变法等。无损检测法主要包括X射线衍射法、电子散斑干涉法、中子衍射法、 超声波法、磁性法等。
[0004] 在各种残余应力测试方法中钻孔测量构件残余预应力的钻孔法，由于具有操作简 单、对构件损伤小、成本低的特点，而在工程上得到了认可与应用，美国材料试验协会ASTM 早在1981年就制订了测量标准推广应用钻孔法。
[0005] 压痕应变法，又叫压痕法，作为一种简单、快捷、对构件损伤小的残余应力测试方 法，在工程上应用日益广泛，并且已经形成了压痕应变法测量金属材料残余应力的国家标 准，标准规定该方法适用于硬度不大于50HRC的各种金属材料表面残余应力的测定。
[0006] 钻孔法测量的应力释放属于部分释放，因此钻孔法测量灵敏度比较低。而压痕法 由于是对构件加载使表面局部产生塑性变形，对脆性材料、强度比较低的构件应用困难，如 塑料构件。同时由于塑性变形的应力应变关系复杂，这导致了压痕法的测量精度比较低。
[0007] 而现有无损检测方法，均需要很高的使用条件，检测设备成本偏高，不利于普及应 用。可见寻找一种低成本、不损伤测试构件、又具有一定精度的残余应力的检测方法，是需 要重点解决的技术难题。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有机械式残余应力检测方法对构件的破坏性及效果不很理想的问 题，提出了一种非破坏性、测量简单的构件残余应力的机械式无损检测方法。
[0009] -种基于载荷测量的残余应力检测方法（简称载荷法），其特征在于，包括如下步 骤：
[0010] (a)基于构件的计算机几何模型，利用计算机通过有限元方法获得待测点在某约 束及加载条件下的仿真（或者叫模拟）应力值；
[0011] (b)通过应变实验获得构件上待测点处在与步骤（a)同样约束及加载条件下的实 验应力值；
[0012] (c)计算上述实验应力值与仿真应力值之间的差，得到构件待测点处的残余应力。
[0013] 在上述步骤中，约束条件为能够将构件固定即可；加载条件可以根据需要选择，优 选如下条件：一对与加载点的曲面法线方向一致的集中力，载荷大小以产生的载荷应力不 超过构件材料的屈服极限为准。
[0014] 步骤（a)可以细化为如下子步骤：
[0015] (a-Ι)建立构件计算机几何模型；
[0016] (a_2)选择对模型的约束方式和加载点，并对模型进行模拟约束和加载；
[0017] (a_3)对在加载点施加载荷后的模型进行线弹性有限元静力分析，在分析结果中 取待测点的应力值σ 'bl ;
[0018] (a-4)将上步取得的应力σ 'bl转换到待测点的局部坐标下，得到待测点的仿真应 力值〇bl
[0019] 可以理解到的是，如果加载点或加载力过小，导致获得的测试值过小，会影响检测 的准确度。因此，为了提高检测的准确度，可以对分析获得的应力值设置一个最小门限。比 如0. IMPa。如此，步骤（a)中可以加入如下步骤：若步骤（a-3)分析获得的应力值0 'bl的 分量的最大值小于值〇. IMPa，则返回步骤（a-2)调整加载点位置或加大载荷，然后重复步 骤（a-3);若应力值〇 'bl的分量的最大值大于值0. IMPa，则进入步骤（a-4)。
[0020] 在步骤（a)，步骤（a-4)目的在于，使做对比的两种应力值表述方式一致。由于实 验获得的应力值是待测点局部坐标下的，而有限元分析获得的应力值是基于全局坐标的。 如对比两个值，则需要将其转换到同一坐标系内。然后以相同方向的分量做对比，以获得差 值。
[0021] 坐标转换的具体方式可以有很多种，下面给出一种比较简单的坐标转换方法，基 于该方法，步骤（a-4)的具体步骤如下：
[0022] (a-4-l)对检测构件计算机几何模型，计算待测点局部坐标与全局坐标的夹角Ψ 角、Θ角和φ角，得到待测点的变换矩阵T;
[0023]
【权利要求】
1. 一种基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，包括如下步骤： (a) 基于构件的计算机几何模型，利用计算机通过有限元方法获得待测点在某约束及 加载条件下的仿真（或者叫模拟）应力值； (b) 通过应变实验获得构件上待测点处在与步骤（a)同样约束及加载条件下的实验应 力值； (c) 计算上述实验应力值与仿真应力值之间的差，得到构件待测点处的残余应力。
2. 根据权利要求1所述的基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，约束条件 为能够将构件固定；加载条件为：一对与加载点的曲面法线方向一致的集中力，载荷大小 以产生的载荷应力不超过构件材料的屈服极限为准。
3. 根据权利要求2所述的基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，步骤（a)包 括如下子步骤： (a-Ι)建立构件计算机几何模型； (a-2)选择对模型的约束方式和加载点，并对模型进行模拟约束和加载； (a-3)对在加载点施加载荷后的模型进行线弹性有限元静力分析，在分析结果中取待 测点的应力值σ 'bl ; (a_4)将上步取得的应力〇'bl转换到待测点的局部坐标下，得到待测点的仿真应力值 0 bl °
4. 根据权利要求3所述的基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，若步骤 (a_3)分析获得的应力值〇 'bl的分量的最大值小于值0. IMPa，则返回步骤（a-2)调整加载 点位置或加大载荷，然后重复步骤（a_3);若应力值〇、的分量的最大值大于值0. IMPa，则 进入步骤（a_4)。
5. 根据权利要求3或4所述的基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，步骤 (a-4)的具体步骤如下： (a-4-l)对检测构件计算机几何模型，计算待测点的局部坐标与全局坐标的夹角Ψ 角、Θ角和φ角，得到待测点的变换矩阵T;
(1) (a-4-2)对待测点的有限元解〇 'bl用公式（2)进行应力坐标变换； σ = Τ 〇 ' TT (2) 其中：〇 '、〇是二阶应力张量，〇是转换后的应力，Τ见（1)式。
6. 根据权利要求3所述的基于载荷测量的残余应力检测方法，其特征在于，步骤（b)包 括如下子步骤： (b-Ι)对待测构件施加与步骤（a)相同的约束和加载； (b-2)针对待测点采用45°应变花进行应变实验，得到构件待测点的实验载荷应力 σ &，在应变实验的局部坐标下待测点的应力计算如下：
式中：弹性模量E和泊松比μ为材料给定值；ε f、ε 9(|。、ε 45。分别表示应变片沿x轴 向方位、应变片沿y轴向方位及与X轴成45度角的应变片测得的构件加载的应变大小。
【文档编号】G01L1/00GK104142265SQ201410270728
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】刘红, 蒋兰芳, 陈先立, 杨哲人 申请人:浙江工业大学