一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法
【专利摘要】本发明提出一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法。当含有内部缺陷的环氧树脂模型加载后，缺陷部位出现变形，通过对环氧树脂模型进行可控的加温、恒温、加载和降温，将内部三维变形固化，之后再从模型中切取薄片，并进行抛光处理。然后，将切片升温至环氧树脂的高弹态使其中的应力得到充分释放，从而使切片中的变形恢复至初始状态，通过光学方法照射缺陷的应力集中部位，获取三维环氧树脂模型内部缺陷部位应变奇异区的变形参数。本发明为测量的三维体内部变形参数提供了一种有效实验测试方法。
【专利说明】
一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法
技术领域
[0001]本发明属于实验力学中的实验测试领域，具体涉及一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法。
【背景技术】
[0002]机械零部件中缺陷的存在以及随后的扩展与增长经常会导致严重的事故。为了在安全设计中确保结构和零部件的强度，实际结构物中缺陷附近高应力区域产生的变形大小的确定，是结构安全设计中的重要工作。
[0003]二维变形测量方法已经比较成熟，但是，由于实际结构物绝大部分为三维体，三维体内部的变形测量非常重要。虽然采用理论方法和解析方法可进行计算或数值模拟，但是在解决实际问题时，特别是在复杂边界条件下，往往难于得到精确的数值解。另外，计算结果的正确性还必须通过实验进行验证和确认，但当变形处于三维体内部时，一般的实验手段和实验方法难于进行定量测量。
[0004]为此提出一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法。通过对环氧树脂模型进行可控的加温、恒温、加载和降温，将内部三维变形固化，之后从模型中切取薄片、进行表面抛光后，将薄片中的应力释放，使切片中的变形恢复至初始状态，再通过光学方法照射切片上缺陷部位的应力集中区域，获取三维环氧树脂模型内部应变奇异区的变形参数。基于本方法得到的数据还可通过相似准则推广到其它金属材料的三维结构物内部变形确定。因此，本发明提供了一种通过实验手段获取难于测量的三维体内部变形的有效方法。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提出一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法。将内部带有缺陷的环氧树脂模型进行升温、恒温，加载后降温，使模型中产生的变形在降温过程中固化，再通过从模型中切取薄片，并将该切片加温到环氧树脂的高弹态，释放被固化的应力，使得切片中的变形还原到初始位置。使用发散光照射缺陷的应力集中部位，获取三维环氧树脂模型内部缺陷部位应变奇异性参数，本发明为测量的三维体内部变形参数提供了一种有效实验测试方法。
[0006]本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法，包括:“环氧树脂三维模型制做”、“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”、“切取、抛光三维模型切片”、“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”和“测量三维体内部变形”五个实施步骤；
[0007]其中，
[0008]“环氧树脂三维模型制做”是制做出带有内部缺陷的环氧树脂三维模型；
[0009]“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”的功能是将带有内部缺陷的环氧树脂三维模型缓慢加温至环氧树脂材料的高弹态温度，并使其温度保持在高弹态温度，待三维模型内部温度逐渐达到与外部一致之后，对三维模型进行加载，使其产生变形，当三维模型内部变形稳定之后，控制降温速率使环境温度缓慢降至室温，于是三维模型中的变形被固化定型；
[0010]“切取、抛光三维模型切片”的功能是:为了获取内部变形信息，从三维环氧树脂模型中切取带有固化变形的模型切片，并经过抛光使其表面成为镜面反射面状态，为后续的内部变形测量做准备。
[0011]“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”的功能是将抛光过的模型切片缓慢升温，加热至环氧树脂材料的高弹态温度，使模型切片内部被固化的应力在高温下得到充分释放，位移恢复到初始位置，从而产生反方向面外变形。
[0012]“测量三维体内部变形”的功能是使用光测方法对模型切片表面出现的变形进行定量测量。通过对模型不同部位的切片进行测量，可获得三维体内部不同部位的形变信息。
[0013]其中，所述的“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”的实现方法和具体步骤如下:
[0014]将已加工好的环氧树脂模型放入温度可控的温箱中，从室温开始逐渐加热到环氧树脂的高弹态温度115°C，为了使三维环氧树脂模型内、外温度均匀一致，在温度达到材料高弹态温度115°C之后，恒温3个小时再施加载荷。环氧树脂材料在高弹态下会呈现出完全弹性的性状，加载后其变形迅速改变，很快达到最大值。为了使变形能达到稳定状态，再保持115°C的恒定温度10个小时，之后控制温箱内的温度使其以非常缓慢的速率下降，经过90小时之后降至25°C的室温环境，此时三维环氧树脂模型内的变形会被固化定性，而且进行机械加工也可以保持内部特性不变化。但是，特别需要在加工时注意进行冷却处理。
[0015]其中，所述的“切取、抛光三维模型切片”是为了获得三维环氧树脂模型内部的局部变形。首先对所需部位进行切割，在切取过程中，由于机械加工会造成两个平面的平行度有差别，表面粗糙。因此需要对切片的表面打磨并进行抛光处理，以利于后续的光学测量。打磨过程中使用粗细不等的砂纸，牌号由粗到细逐渐对切片表面实施打磨，并注意切片两侧的平行度，最后使用抛光膏进行研磨，使表面呈现出镜面状态。
[0016]其中，所述的“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”流程中的升温、保温、降温过程与“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”过程以及总时间相同。因为在高弹态温度下环氧树脂材料中的应力会得到释放，切片内部的变形将向反方向移动，切片表面呈现出面外形变。切片表面面外形变的出现，为三维体内部对应的形变的定量测量提供重要条件。
[0017]其中，所述的“测量三维体内部变形”的具体步骤是，将一束激光光源扩束后，使用准直镜变为平行光，经透镜聚焦，于焦点的另外一侧形成发散光路。使用发散光照射切片表面带有缺陷的部位，由于经应力释放后，切片表面缺陷部位存在面外变形，其应力集中部位的光线会出现折射，使屏幕上出现亮区和暗区，测量亮、暗区域边界Y方向的尺寸，经计算可获得表征切片表面应力奇异区形变特性的定量参数。
[0018]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0019](I)现有方法很难对内部变形进行直接测量，本发明提供了一种通过实验手段获取难于测量的三维体内部变形的有效方法。通过高温加载及应力固化将三维模型内部的变形固定，然后切取内部切片，通过加温至环氧树脂的高弹态使切片中的应力得到释放，切片中的变形会恢复至初始状态，最终显现出三维体内部变形，并可直观地进行观察和测量。
[0020](2)通过切取不同方向的切片，能够获得三维模型内部多个不同方向的变形。[0021 ] (3)试验方法相对简捷，直观性强，使用方便。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0024]如图1所示，本发明给出一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法，此方法包括:“环氧树脂三维模型制做”、“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”、“切取、抛光三维模型切片”、“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”和“测量三维体内部变形”五个实施步骤。其中:
[0025]“环氧树脂三维模型制做”步骤的功能是制做出带有内部缺陷的环氧树脂三维模型;环氧树脂材料是一种高分子聚合物，也常作为一种粘接剂使用，在其中加入30 %固化剂可制作成三维模型。制做出三维模型之后，使用非常薄的圆形铣刀(0.1mm厚)可加工出如图1所示的三维模型内部缺陷。
[0026]“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”步骤的功能是将带有内部缺陷的环氧树脂三维模型缓慢加温至该材料的高弹态温度，并使温度保持恒定在该温度，待三维模型内部温度逐渐达到与外部一致之后对三维模型进行加载，使其产生变形，当三维模型内部变形稳定之后，缓慢降温至室温，使三维模型中的变形被固化定型。其具体步骤为:将已加工好的带有内部缺陷的环氧树脂模型放入温度可控的温箱中，从室温开始缓慢加热到环氧树脂的高弹态温度115°C，为了使三维环氧树脂模型内外部的温度均匀一致，待温度达到高弹态温度115°C之后，继续恒温3个小时再施加载荷。环氧树脂材料在高弹态下会呈现出完全弹性的性状，加载后其变形迅速改变，很快达到最大值。为了使变形能达到稳定状态，加载后再保持高弹态温度10个小时，之后控制温箱温度使其以非常缓慢的速率下降，经过90小时的等速率降温之后，温箱内的温度逐渐降至室温环境，此时三维环氧树脂模型内的变形会被固化定性，并且即使进行机械加工也可以保持材料内部特性不发生变化；
[0027]“切取、抛光三维模型切片”步骤是为了获取内部变形信息，从三维环氧树脂模型中切取带有固化变形的模型切片，并经过抛光使其表面成为镜面反射面，为后续的变形测量做准备。具体步骤为:首先对三维模型中的所需局部进行切割，使用铣床和锯切割均可，在进行机械加工时需要特别注意对加工局部进行冷却处理，以避免机械加工过程中模型材料温度过高。冷却方式可使用风冷或机油液体冷却，不要使用水冷却方式，防止材料吸潮。在对三维模型进行切取的过程中，由于机械加工会造成两个平面的平行度有差别，表面状态粗糙。因此需要对切片表面进行打磨和抛光处理，以利于后续的光学测量。打磨过程中使用粗细不等的砂纸，牌号由粗到细逐渐对切片表面实施打磨，打磨时需要注意保持切片两面的平行度，最后使用抛光膏进行研磨，使表面呈现出镜面状态，以利于切片表面的光反射；
[0028]“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”步骤的是将切片内部的形变释放出来的极为重要的关键步骤。经过加工后的环氧树脂切片表面平整，是观察不到任何位移的，由于应力和位移被固化在切片之中，必须设法将其显现出来。先将抛光过的模型切片从室温开始逐渐加热到环氧树脂的高弹态温度115°C，此时模型切片内部被固化的应力在高温下得到充分释放，产生反方向变形，位移恢复到初始位置。此后继续保持高弹态温度13个小时，之后控制温箱温度使周围的环境温度以非常缓慢的速率下降，经过90小时的等速率降温之后，温箱内的温度降至室温环境，此时三维环氧树脂切片上的形变会被固化，为下一步三维体内部形变测量提供了重要条件。
[0029]“测量三维体内部变形”步骤的功能是使用光测方法对模型切片表面出现的变形进行定量测量。其具体步骤为:将一束激光光源扩束后，使用准直镜使其变为平行光光路，然后经过透镜聚焦，于焦点的另一侧形成发散光光路。将发散光照射切片表面带有缺陷的部位，由于切片表面缺陷部位已经出现变形，其应力集中部位的入射光会发生偏转，反射到屏幕上后将出现亮区和暗区。测量亮、暗区域边界的Y方向的尺寸，能够获取表征切片应力奇异区形变特性的定量参数。另外通过对模型不同部位进行切片加工、应力释放和测量，能够得到三维体内部不同部位的形变信息。
[0030]本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
【主权项】
1.一种基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: 步骤一、“环氧树脂三维模型制做”步骤:使用光弹性材料制做三维体模型，并加工制做出内部缺陷； 步骤二、“环氧树脂高弹态下的加载和形变固化”步骤:将带有内部缺陷的环氧树脂三维模型加温至该材料的高弹态温度，并对模型进行加载，使其产生变形，然后将温度缓慢降至室温，使三维模型中的变形被固化定型； 步骤三、“切取、抛光三维模型切片”步骤:为了获取内部变形信息，从三维环氧树脂模型中切取带有固化变形的模型切片，并经过抛光使其表面成为镜面反射体，为后续的内部变形测量做准备； 步骤四、“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”步骤:将经过抛光后的模型切片缓慢升温，加热至环氧树脂材料的高弹态，使模型切片内部被固化的应力在高温下得到充分释放，切片会产生与加载时相反方向的变形，最终位移恢复到初始位置，然后将温度缓慢降至室温，使切片上显现的变形固化定型； 步骤五、“测量三维体内部变形”步骤:使用光测方法对模型切片表面出现的变形进行定量测量，可以通过对模型不同部位的切片进行测量，获得三维体内部不同部位的形变信息。2.根据权利要求1所述的基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法，其特征在于:所述的“高弹态释放应力，还原三维体内部形变”步骤的具体实现过程如下: 将已加工好的环氧树脂模型放入温度可控的温箱中，从室温开始逐渐加热到环氧树脂的高弹态温度115°C，然后恒温13个小时，在高弹态温度下环氧树脂材料中的应力会被全部释放，切片上产生反方位移，即变形方向与加载时的方向相反，切片内的位移将恢复到加载前的原始位置，之后控制温箱内的温度，使切片周围的环境温度以非常缓慢的速率下降，经过90小时之后降至25°C的室温，切片上的变形将被固化保留，该切片变形为后续三维体内部的形变测量提供了重要条件。3.根据权利要求1所述的基于加热应力释放测量三维体内部变形的方法，其特征在于:所述的“测量三维体切片变形”步骤的具体实现过程如下: 将一束激光光源扩束后，通过准直镜变为平行光，之后经透镜将平行光聚焦，于焦点的另外一侧形成发散光路，使用发散光照射切片表面带有缺陷的部位，由于切片表面缺陷处的应变奇异区部位出现的变形，其应力集中部位的光线会出现偏转，使屏幕上分别出现亮区和暗区，测量亮、暗区域边界处Y方向的尺寸，可获得表征切片表面应力奇异区形变特性的定量参数。
【文档编号】G01N21/88GK105928945SQ201610238115
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】吴大方, 商兰, 王怀涛
【申请人】北京航空航天大学