[發(fā)明專利]基于溫度場有限元分析仿真的亞表面損傷檢測方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010570497.2
• 申請日: 2010-12-02
• 公開（公告）號: CN102155931A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王海容;王健云;蔣莊德;苑國英
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01B21/18
• 分類號: G01B21/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)超精密加工領(lǐng)域中一種進行零件非破壞性亞表面質(zhì)量檢測的方法，特別涉及一種基于溫度場有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測方法。

背景技術(shù)

光學(xué)零件加工成形(如：相機鏡頭、透鏡、望遠鏡和反射鏡)一般會經(jīng)過研磨、拋光等傳統(tǒng)加工工序。然而，在研磨光學(xué)玻璃過程中，磨粒可以看成是一個個大小不同、分布不均的壓頭。根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)模型，壓頭對光學(xué)材料表面施加一定的壓力，所以，在壓頭與光學(xué)材料的相互作用中，壓頭正下方的光學(xué)材料會產(chǎn)生非彈性變形區(qū)(塑性變形區(qū))。當壓力載荷繼續(xù)增大，磨粒壓頭切入光學(xué)材料的深度進一步增加，導(dǎo)致材料內(nèi)部非彈性區(qū)不斷擴大，并且在亞表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當加載產(chǎn)生的應(yīng)力值超過材料本身極限應(yīng)力時，光學(xué)材料內(nèi)部逐漸發(fā)展產(chǎn)生中央/徑向裂紋。現(xiàn)有亞表面損傷研究理論與結(jié)果表明，在光學(xué)材料加工過程中不斷出現(xiàn)的中央裂紋/徑向裂紋是形成亞表面損傷層的主要原因。都無法避免在光學(xué)亞表面產(chǎn)生不同程度的亞表面損傷，常表現(xiàn)為被掩埋在重沉積層下的裂紋、孔洞等亞表面缺陷。在高精密光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域(如：高分辨率空間相機鏡頭和高功率固體激光裝置等)對光學(xué)元件中的亞表面損傷層提出了要求，并嚴格限制光學(xué)亞表面損傷層深度。因此，需要對光學(xué)元器件加工中產(chǎn)生的亞表面損傷層深度進行探測，并減少亞表面損傷層深度，達到所需光學(xué)零件的使用要求。

亞表面損傷層檢測方法可以劃分為破壞式檢測方法和非破壞式檢測方法。破壞式檢測方法有：(1)HF酸化學(xué)腐蝕法是通過HF酸與玻璃組成化合物SiO₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷擴大和顯露出光學(xué)材料的亞表面層損傷，然后通過高能顯微鏡檢測的裂紋和缺陷；(2)角度拋光法測量亞表面損傷由于分辨率高、操作簡便，美國材料與實驗協(xié)會已經(jīng)在1998年將角度拋光法標準化；(3)實驗證明球磨技術(shù)能用于描述光學(xué)玻璃亞表面損傷。其基本方法為：用高精度鋼球?qū)α慵砻鎾伖猓ㄟ^測量暴露的亞表面損傷特征確定亞表面損傷層深度。破壞式檢測方法一般具有較高的檢測精度，但破壞式方法具有一定的經(jīng)驗性、檢測時間過長、并且對零件表面材料進行破壞等一些缺點。發(fā)展較為成熟的非破壞式檢測方法有：(1)光熱顯微法機理是：在實驗中，調(diào)強聚焦光束將熱量傳遞到樣品中，通過吸收與隨后去激松馳釋放的熱量可能分布在樣品的大部分區(qū)域或者局限在不傳熱實體表面小區(qū)域范圍內(nèi)。因此，實驗分辨率能夠達到檢測要求。(2)X射線衍射法是檢測材料殘余應(yīng)力常用方法。X射線衍射檢測方法機理：當X射線以一定角度照射到材料(硅片)表面會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)不同間距衍射條紋位置的不同，通過對比在有無殘余應(yīng)力時的晶格間距的變化值，再結(jié)合結(jié)晶學(xué)理論計算出殘余應(yīng)力大小。光熱顯微法和X射線衍射法克服了破壞性檢測的一些缺點，但存在成本高、精度不高等缺點。因此，有必要研究出新的快捷、準確、成本低的非破壞性檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服目前所采用破壞性檢測方法和非破壞性檢測方法的不足，提供一種易于實驗裝置簡單、操作容易、周期短、成本低的檢測方法。

為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種基于溫度場有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)固定被測光學(xué)零件且保證零件四周沒有影響熱傳導(dǎo)的較大障礙物，在零件上表面設(shè)置第一加熱恒溫源T1，下表面設(shè)置第二加熱恒溫源T2，T2＞T1，直至上、下表面加熱恒溫源T1、T2熱傳遞到達動態(tài)平衡。

(2)用高分辨率掃描熱探針探測被測光學(xué)零件上表面D區(qū)域中上方溫度場的分布，得出實測溫度場分布曲線；

(3)用有限元分析軟件建立被測光學(xué)零件的三維模型，設(shè)置與步驟(1)相同的溫度環(huán)境，且設(shè)定被測光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域存在h的亞表面損傷裂紋深度，模擬計算被測光學(xué)零件三維模型溫度場的變化，得到仿真的溫度場分布曲線；

(4)比較步驟(2)實測溫度場分布曲線與步驟(3)模擬仿真的溫度場分布曲線得到一個溫度場比較曲線，計算兩條曲線在橫坐標-20mm-0.00mm范圍內(nèi)的相對誤差，當相對誤差滿足誤差范圍時說明假定的亞表面損傷裂紋深度h合理，由此可判定被測光學(xué)零件表面D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度為h＝h2-h1，其中h2為亞表面損傷裂紋下端距被測光學(xué)零件上表面的距離，h1為亞表面損傷裂紋上端距被測光學(xué)零件上表面的距離；

(5)當步驟(4)中計算相對誤差大于誤差范圍，則返回到步驟(3)，重新設(shè)置被測光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度h’，再按照步驟(4)計算出兩條曲線在橫坐標-20mm-0.00mm范圍內(nèi)的相對誤差，直至相對誤差滿足誤差范圍。