专利名称：一种基于反问题的残余应力检测方法
技术领域：
本发明属于残余应力检测领域，涉及一种基于反问题的计算机辅助的残余应力检测方法。
背景技术：
各种机械工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内出现不同程度的残余应力。残余应力的存在，一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，残余应力的测量，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。(I)物理检测法，主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。但是设备比较昂贵，操作不太方便，只能检测工件的距表面很近处的残余应力。(II)机械法，有钻孔法、取条法、切槽法、剥层法等。机械法测量残余应力需释放应力，机械法理论完善，技术成熟，目前在现场测试中广泛应用，其中尤以浅小孔法的破坏性最小，应用最为广泛。而对于残余应力检测方面的专利，也已经有很多人申请了多种多样的残余应力检测专利。比如J · P ·菲耶尔斯塔就申请了发明专利“用光学全息干涉技术对物体中残余应力进行实时无损测定的方法与设备”(申请号00817976. X)，其主要技术特征是首先记录初始状态下物体检测区域的全息图，然后通过将物体表面暴露在矩形高电流脉冲下，实现检测区域的检测点中的残余应力释放，最后制作物体的严格相同区域中的干涉图，由干涉图中的条纹形状及尺寸确定检测区域的残余应力。又如哈尔滨工业大学的费维栋申请了发明专利“微小区域残余应力的无损检测方法”(申请号=200510131351. 7)，其主要技术特征是利用XRD设备对待测残余应力的样品测量后获得XRD面探图谱，然后对所得图谱进行处理，得到相应一组(hkl)衍射峰的衍射角 (2 θ )随着德拜环张角(χ)变化的数据Ix1, 2 θ J，最后用线性函数拟合数据得到相应的直线，由拟合得到直线的斜率与残余应力之间的关系，由此可计算出所测量样品该微小区域的残余应力。西安交通大学的张建勋申请了“一种焊接残余应力测量方法”(申请号 200910021661)的发明专利。其主要技术特征是基于盲孔法测量残余应力方法，提出局部逐层去除盲孔法来测量构件内部残余应力；正反两面局部去除被测构件上一定深度材料后再采用盲孔法测量残余应力；此发明专利能够实现局部逐层地测量构件内部残余应力，操作方便，测量效率高。由于小孔法测量残余应力的原理是假定物体表面存在残余应力，此应力处于平面应力平衡状态，若在该平面某点上钻一个小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力重新分布。若在钻孔之前，在该点贴上三向应变计，钻孔之后，应变计便感受到应力释放产生的应变，通过测量应变计的应变，通过把残余应力校准系数代入残余应力计算公式中计算出残余应力。如何确定应变和残余应力之间的关系-残余应力校准系数，是钻孔法法测量残余应力的关键因素之一。传统的实验方法确定残余应力校准系数是非常直接和实用，但它也是非常耗时，昂贵和范围有限，校准必须为每个花环的几何形状，材料和样品孔尺寸重复。而且对于不同情况下同种材料所选用的残余应力校准系数都是相同，因此其测试数据的准确性也值得商榷。目前的检测方法没有考虑到去除被测构件上一定深度材料对被检测工件残余应力的影响，也没有考虑到不同深度的残余应力校准系数不同的影响。并且对于一种多层钻孔，或者对于非平面的球元结构或柱元结构的被测量工件或一种新发现的材料由于缺少相应的残余应力校准系数而难以用小孔法实现残余应力的测量，或者是所测量出来的残余应力的数据不十分准确。然而如果通过采用数值模拟的方式计算出该种情况的残余应力校准系数，然后通过小孔法就能准确测量出该情况下工件的残余应力。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明专利提供了一种基于反问题的残余应力检测方法，是采用一种基于反问题的逆向思维，利用现代数值模拟方法计算残余应力校准系数， 通过小孔法测量其应变值，然后用获得的残余应力校准系数和残余应力检测计算模型最终获得材料或结构的实际残余应力值。本发明的技术方案如下一种基于反问题的残余应力检测方法，采用一种基于反问题的逆向思维，利用现代数值模拟方法计算出残余应力校准系数，通过小孔应力释放法测量其应变值，然后用计算获得的残余应力校准系数和残余应力检测计算模型最终获得材料或结构的残余应力。利用数值模拟方法计算出在第i次钻孔时第j层(i > j)时的残余应力校准系数 Ajj和然后采用小孔应力释放法检测出的第i次钻孔时第j层应变，根据下列公式
权利要求
1.一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于采用一种基于反问题的逆向思维，利用现代数值模拟方法计算出残余应力校准系数，通过小孔应力释放法测量其应变值， 然后用计算获得的残余应力校准系数和残余应力检测计算模型最终获得材料或结构的残余应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于利用数值模拟方法计算出在第i次钻孔时第j层j)时的残余应力校准系数Α"和然后采用小孔应力释放法检测出的第i次钻孔时第j层应变，根据下列公式
3.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于利用有限元或有限差分的数值模拟方法计算出同一位置随钻孔深度变化的残余应力校准系数，借助小孔应力释放法测量其应变值，实现同一位置一次或多次钻孔方式的残余应力检测。
4.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于利用有限元或有限差分的数值模拟方法计算出平面元或非平面元结构工件的残余应力校准系数， 借助小孔应力释放法测量其应变值，实现平面元或非平面元结构的残余应力检测。
5.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于对于新型材料，利用有限元或有限差分的数值模拟方法计算出该新型材料的残余应力校准系数， 借助小孔应力释放法测量其应变值，实现新型材料的残余应力检测。
6.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于利用有限元或有限差分的数值模拟方法是指借助商业软件或者自主编制计算机程序，自动进行不同类型的材料或不同种类的结构形式的残余应力校准系数的计算，实现其残余应力的检测。
7.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于利用有限元或有限差分的数值模拟方法的计算机流程由用户界面、中间部分和计算核心三个部分组成，用户界面包括用户参数的输入系统和检测结果的输出系统，中间部分包括参数的校验、测量的应变数据导入、模型的建立、计算程序的自动生成、残余应力计算、后处理系统， 能够根据用户需要自动创建数值模拟程序和计算残余应力，计算核心部分包括数值模拟分析系统和残余应力校准系数的确定系统。
8.根据权利要求1所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于基于反问题的逆向思维过程是建立与真实检测条件一致的数学物理模型，借助计算机仿真技术， 模拟小孔应力释放法的测量过程，在无残余应力的小孔侧壁分别施加一个确定值的压应力和一个确定值的切应力，综合考虑工件结构和材料性质的影响因素，通过数值模拟方法计算出相应的应变值，然后反求出残余应力的校准系数，最后结合残余应变的实际测量值，就能够获得相同的材料和相同结构的残余应力检测值。
9.根据权利要求1和8所述的一种基于反问题的残余应力检测方法，其特征在于计算与确定残余应力校准系数时，小孔侧壁上施加单位数值的压应力和切应力，压应力与小孔侧壁法线方向一致，切应力沿小孔侧壁切线方向施加。
全文摘要
本发明公开了一种基于反问题的残余应力检测方法，包括采用一种基于反问题的逆向思维，利用现代数值模拟方法计算残余应力校准系数，通过小孔法测量其应变值，然后用获得的残余应力校准系数和残余应力检测计算模型最终获得材料或结构的实际残余应力值。
文档编号G01N19/00GK102162755SQ20101059210
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者王颖, 罗键 申请人:罗键