[發明專利]一種基于載荷測量的殘余應力檢測方法

有效

• 申請號: 201410270728.6
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104142265B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 劉紅;蔣蘭芳;陳先立;楊哲人
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01L1/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司33100
• 代理人: 商旭東,沈孝敬

技術領域

本發明屬于檢測技術領域，涉及一種機械式殘余應力檢測的方法，特別涉及一種構件殘余應力的機械式無損檢測方法。

背景技術

工程結構的不少構件由于加工制造的原因、或因為裝配工藝的需要、或承受了超過其材料屈服極限的載荷，將在構件中或多或少的駐留殘余應力。而殘余應力的存在，除了某些特殊情況(如壓力容器的預應力有助提高承載壓力)外對構件的影響一般都是負面的，不僅降低了結構的強度、疲勞等力學性能影響其使用安全性，而且更嚴重的是引起構件翹曲開裂導致功能失效。

根據檢測方法是否對被測構件造成損傷，殘余應力的檢測方法分為有損檢測法和無損檢測法兩類：有損檢測法也稱機械釋放檢測法，主要有鉆孔法，分割切條釋放法、逐層剝離法、壓痕應變法等。無損檢測法主要包括X射線衍射法、電子散斑干涉法、中子衍射法、超聲波法、磁性法等。

在各種殘余應力測試方法中鉆孔測量構件殘余預應力的鉆孔法，由于具有操作簡單、對構件損傷小、成本低的特點，而在工程上得到了認可與應用，美國材料試驗協會ASTM早在1981年就制訂了測量標準推廣應用鉆孔法。

壓痕應變法，又叫壓痕法，作為一種簡單、快捷、對構件損傷小的殘余應力測試方法，在工程上應用日益廣泛，并且已經形成了壓痕應變法測量金屬材料殘余應力的國家標準，標準規定該方法適用于硬度不大于50HRC的各種金屬材料表面殘余應力的測定。

鉆孔法測量的應力釋放屬于部分釋放，因此鉆孔法測量靈敏度比較低。而壓痕法由于是對構件加載使表面局部產生塑性變形，對脆性材料、強度比較低的構件應用困難，如塑料構件。同時由于塑性變形的應力應變關系復雜，這導致了壓痕法的測量精度比較低。

而現有無損檢測方法，均需要很高的使用條件，檢測設備成本偏高，不利于普及應用。可見尋找一種低成本、不損傷測試構件、又具有一定精度的殘余應力的檢測方法，是需要重點解決的技術難題。

發明內容

本發明針對現有機械式殘余應力檢測方法對構件的破壞性及效果不很理想的問題，提出了一種非破壞性、測量簡單的構件殘余應力的機械式無損檢測方法。

一種基于載荷測量的殘余應力檢測方法(簡稱載荷法)，其特征在于，包括如下步驟：

(a)基于構件的計算機幾何模型，利用計算機通過有限元方法獲得待測點在某約束及加載條件下的仿真(或者叫模擬)應力值；

(b)通過應變實驗獲得構件上待測點處在與步驟(a)同樣約束及加載條件下的實驗應力值；

(c)計算上述實驗應力值與仿真應力值之間的差，得到構件待測點處的殘余應力。

在上述步驟中，約束條件為能夠將構件固定即可；加載條件可以根據需要選擇，優選如下條件：一對與加載點的曲面法線方向一致的集中力，載荷大小以產生的載荷應力不超過構件材料的屈服極限為準。

步驟(a)可以細化為如下子步驟：

(a-1)建立構件計算機幾何模型；

(a-2)選擇對模型的約束方式和加載點，并對模型進行模擬約束和加載；

(a-3)對在加載點施加載荷后的模型進行線彈性有限元靜力分析，在分析結果中取待測點的應力值σ'_b1；

(a-4)將上步取得的應力σ'_b1轉換到待測點的局部坐標下，得到待測點的仿真應力值σ_b1

可以理解到的是，如果加載點或加載力過小，導致獲得的測試值過小，會影響檢測的準確度。因此，為了提高檢測的準確度，可以對分析獲得的應力值設置一個最小門限。比如0.1MPa。如此，步驟(a)中可以加入如下步驟：若步驟(a-3)分析獲得的應力值σ'_b1的分量的最大值小于值0.1MPa，則返回步驟(a-2)調整加載點位置或加大載荷，然后重復步驟(a-3)；若應力值σ'_b1的分量的最大值大于值0.1MPa，則進入步驟(a-4)。

在步驟(a)，步驟(a-4)目的在于，使做對比的兩種應力值表述方式一致。由于實驗獲得的應力值是待測點局部坐標下的，而有限元分析獲得的應力值是基于全局坐標的。如對比兩個值，則需要將其轉換到同一坐標系內。然后以相同方向的分量做對比，以獲得差值。

坐標轉換的具體方式可以有很多種，下面給出一種比較簡單的坐標轉換方法，基 于該方法，步驟(a-4)的具體步驟如下：

(a-4-1)對檢測構件計算機幾何模型，計算待測點局部坐標與全局坐標的夾角ψ角、θ角和角，得到待測點的變換矩陣T；