本发明涉及工件残余应力检测领域，属于剥层法测量残余应力的一种修正方法。
背景技术：
在工业生产过程中，无论是各种机械加工过程、强化工艺、不均匀塑性变形还是金相变化都会不可避免的在材料及其制品上产生残余应力。残余应力是一种内应力，这种内应力自相平衡，而且在外力和不均匀的温度场都消失后依然会存留在材料内部。这种内应力对于零件会产生一定的影响，例如疲劳强度、静强度、脆性破坏等。这些影响在普通行业造成的影响较小，然而对一些高精尖产业来讲，任何一种影响都将产生灾难性的后果。所以，合理有效的控制残余应力对于许多产业是十分重要的。若想对残余应力进行合理有效的控制，首先就要有更加准确、合理的测量方法来测量残余应力。
现有的残余应力测量方法如x射线衍射法、钻孔法、纳米压痕法等只能测量表面残余应力，对于材料内部的残余应力仍然要采用剥层法测量。然而，在剥层法去除材料的过程中，应力将发生释放，直接测得的应力值并不能反映材料初始的应力值。想要获得材料内部初始的残余应力，需要对剥层法的测量值进行修正。建议一种科学、合理、可靠的剥层法的修正方法，是能够准确测量材料内部残余应力的关键。
技术实现要素：
1.、目的
为了提高剥层法的对材料内部残余应力的测量精度，提出一种基于板壳理论的剥层法残余应力测量值的修正方法。采用剥层法测量试件残余应力时，试件往往为一矩形板。本发明基于弹性力学和板壳理论，推导了材料去除过程中材料内部的残余应力释放的计算方法，从而建立逐层剥去的表面残余应力与该层初始残余应力的换算关系，在已知剥层后各表面残余应力的情况下，即可反算得到该层的初始残余应力。
2、技术方案
本发明采取了如下的技术方案：
剥层法测材料残余应力时，试件一般选用矩形板试件，板类零件的残余应力的主应力方向一般平行于矩形板相互垂直的两个边的方向，即沿长边和短边的切应力近似为0。当一部分材料被去除时，原有的应力平衡状态将被破坏，试件将随之发生内部应力的重分布和弯曲变形。在某个方向残余应力的不平衡造成的弯曲等效于板该方向的对边施加均匀的力矩。现规定矩形板的长边方向为x方向，短边方向为y方向。等效力矩my和mx的大小可由式(1)和(2)计算得到：
其中，σx和σy分别为被剥去层在x和y方向上的平均应力；h1为第1层剥去前工件的总厚度，h2为第二层剥去前工件的总厚度，t为剥去层的厚度。
根据板壳理论，矩形板两边施加的均匀力矩引起的翘曲变形的曲率1/rx和1/ry可以有式(3)-(5)计算得到：
其中，d是板的抗弯,e材料的弹性模量，μ是泊松比。
当板形试件材料被逐层剥去时，试件沿x方向的应力重分布和弯曲变形可由式(6)-(10)计算得到：
公式(6)-(10)中，i＝1,2,3…,n-1。
其中，rx,i-1和rx,i是剥去第i层前后x方向翘曲的曲率半径；σx,i-1,1和σy,i-1,1是在第i-1层被剥去后，剩余工件顶层x和y方向的平均应力；hi是第i层被剥去前工件的厚度；axi是第i层被剥去后表面到变形中性面的距离；sxiis是第i层被剥去后，在工件顶面的残余应力变化量；sx,i,j是第i层被剥去后，第j层内的残余应力变化量；σx,i,j是第i层被剥去后，第j层内x方向重分布后的残余应力。y方向的应力分布和翘曲变形情况同理可得。
上述公式是通过初始残余应力场，计算剥层过程中各层的剩余的残余应力和变形。然而，实际用剥层法测量时，无法真正得到工件的初始残余应力，只能测得逐层去除过程中，工件顶层的残余应力。因此，基于公式(1)-(10)可以进一步推导当各层被剥去后的顶层残余应力已知时，工件初始残余应力的计算方法，即完成对剥层法测残余应力值的修正。
综上所述，本发明一种基于板壳理论的剥层法残余应力测量值的修正方法，该方法的具体操作步骤如下：
步骤一：取一待测的矩形板工件，设其厚度为h，测量其外表面应力值，可获表层x方向和y方向的应力值。将测得工件表层的x方向应力记为σx0,1，x方向应力记为σy0,1。残余应力的测量方法可采用x射线衍射法、钻孔法、纳米压痕法中的一种；
步骤二：将待测工件假想地分为n层，利用机械铣削、化学铣削等方法，去除待测工件表面厚度为t的一层，t＝h/n。
步骤三：测量剥去一层后工件表面的应力，获得x和y方向的应力值，记为sx1和sy1；
步骤四：重复步骤二和步骤三，逐层剥去试件材料，并测量其表面两个方向的应力。当需要沿工件表面k层深度方向内的残余应力时，需要剥去k-1层，并测量k次表面应力，获得σx0,1,σx1,1,σx2,1,…,σx,k-1,1和σy0,1,σy1,1,σy2,1,…,σy,k-1,1。
步骤五：根据公式(11)-(13)计算，利用σx0,1和σy0,1计算ax1,ay1,sx1,sy1，再通过公式(14)-(17)，计算中间变量sx1,1和sy1,1，进而得到σx0,2和σy0,2。其中，σx0,2和σy0,2即为工件第二层内的残余应力，即剥层法测量残余应力的修正值。
σx0,2＝σx1,1+sx1,1(14)
σy0,2＝σy1,1+sy1,1(16)
步骤六：同理第五步，利用公式(18)-(21)可以算得工件第3至n层试件的初始残余应力的x方向应力值σx0,3,σx0,4,…,σx0,n，y方向应力值σy0,3,σy0,4,…,σy0,n同理可得。
式(18)-(21)中，i＝2,3…,n-1。
3、优点及效果
(1)本发明提出的修正方法基于弹性力学和板壳理论，考虑了两个方向残余应力的耦合作用，比传统基于材料力学提出的修正方法更加接近实际，具有更高的修正精度。
(2)按本发明说明书编制修正程序，即可形成剥层法的修正方法。编制的程序简单实用，计算效率远高于基于有限元方法的修正方法。
附图说明
图1是基于板壳理论的剥层法残余应力测量值的修正方法；
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的方法流程做进一步的描述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。其中，附图1描述的检测平台是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
步骤一：取一待测的矩形板工件，设其厚度为h，测量其外表面应力值，可获表层x方向和y方向的应力值。将测得工件表层的x方向应力记为σx0,1，x方向应力记为σy0,1。残余应力的测量方法可采用x射线衍射法、钻孔法、纳米压痕法中的一种；
步骤二：将待测工件假想地分为n层，利用机械铣削、化学铣削等方法，去除待测工件表面厚度为t的一层，t＝h/n。
步骤三：测量剥去一层后工件表面的应力，获得x和y方向的应力值，记为sx1和sy1；
步骤四：重复步骤二和步骤三，逐层剥去试件材料，并测量其表面两个方向的应力。当需要沿工件表面k层深度方向内的残余应力时，需要剥去k-1层，并测量k次表面应力，获得σx0,1,σx1,1,σx2,1,…,σx,k-1,1和σy0,1,σy1,1,σy2,1,…,σy,k-1,1。
步骤五：根据公式(11)-(13)计算，利用σx0,1和σy0,1计算ax1,ay1,sx1,sy1，再通过公式(14)-(17)，计算中间变量sx1,1和sy1,1，进而得到σx0,2和σy0,2。其中，σx0,2和σy0,2即为工件第二层内的残余应力，即剥层法测量残余应力的修正值。
步骤六：同理第五步，利用公式(18)-(21)可以算得工件第3至n层试件的初始残余应力的x方向应力值σx0,3,σx0,4,…,σx0,n，y方向应力值σy0,3,σy0,4,…,σy0,n同理可得。