[發明專利]基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法

在審

• 申請號: 202010731379.9
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111855057A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 劉學術;張博添
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01N19/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法，其特征在于，步驟如下：

第一步：對復合材料板材進行增量步進鉆孔試驗，獲取試驗數據

(1)確定復合材料板材的測量位置和方向：將復合材料板材按軸對稱劃分為兩個部分，作為待測區域；在兩側對稱區域需要測量的位置均勻分布一定數量的盲孔，相互對稱的盲孔分別采取不同測量方向的應變片粘貼方式；

(2)將應變片與靜態應變測試儀用數據線相連，將靜態應變測試儀與計算機相連，利用計算機實時記錄數據；

(3)用數控鉆孔機夾具將被測的復合材料板材的端部夾緊，確保步進鉆孔試驗過程中應變片的數值變化均來自步進鉆孔試驗導致的殘余應力重新分布而帶來的復合材料板材變形；用數控鉆孔機在復合材料板材上粘貼應變片的位置的背面進行步進鉆孔，鉆頭圓心與應變片的中心重合，以固定的步進深度對復合材料板材進行多次步進鉆孔，鉆孔的深度根據測量的目的確定；

(4)鉆孔完成后獲得隨鉆孔深度變化的應變值，對復合材料板材的其他待測區域用上述方法依次進行步進鉆孔試驗，獲取其他位置處的各應變片處隨鉆孔深度變化的應變值，用公式表示為：

ε(a_i)＝ε_i (1)

其中，a_i為第i次的鉆孔深度，i為鉆孔的次數，i＝1,2.....,n，ε(a_i)表示鉆孔深度為a_i時測得的應變值，ε_i表示第i次鉆孔的應變值；

第二步：對實驗數據進行處理，獲取隨鉆孔深度變化的殘余應力值

建立尺寸和邊界條件與被測復合材料板材相同的有限元模型，將勒讓德多項式作為預應力施加到有限元模型中，模擬實際的鉆孔過程，具體如下：

(1)C_ij表示當鉆孔深度為a_i、應力在深度方向上的函數為勒讓德多項式p_j(x)時，通過有限元方法計算所得的應變值，具體公式表達如下：

C_ij＝ε(a＝a_i,σ_initial(x)＝P_j(x)) (2)

其中，a為鉆孔深度，x表示各鉆孔深度數值，σ_initial(x)為沿鉆孔深度方向處的預應力函數表達式，p_j(x)為各階勒讓德多項式在深度方向上的應力函數表達式；

(2)求解各階勒讓德多項式的擬合系數A_j，公式為：

{A}為A_j組成的列向量，用公式表示為：

利用最小二乘法，{A}表示為：

{A}＝([C]^T[C])^-1[C]^T{ε_meas} (5)

其中，j是勒讓德多項式的階數，j＝2,3...,m；{ε_meas}是由測得的應變值形成的列向量，用公式表達為：

[C]是由各應變值C_ij組合形成的矩陣，用公式表示為：

(3)通過勒讓德多項式擬合隨鉆孔深度變化的殘余應力σ(x)，即求出一個應變片處的隨鉆孔深度變化的殘余應力分布，σ(x)表達公式為：

第三步，利用第二步中的方法測量復合材料板材不同的待測區域中的所有應變片位置處的應力分布，最終通過對稱性獲取整個復合材料板材的殘余應力分布。

2.根據權利要求1所述的基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法，其特征在于，第一步的(3)中的鉆孔的深超過復合材料板材厚度的一半。

3.根據權利要求1或2所述的基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法，其特征在于，盲孔的數量依據復合材料板材的尺寸選定；在各個待測區域的盲孔背面打磨清洗，保證表面光滑無雜質后，在盲孔背面圓心位置粘貼應變片，每個盲孔對應位置的應變片與所要測量的殘余應力方向相同。

4.根據權利要求1或2所述的基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法，其特征在于，通過改變應變片粘貼的方向和盲孔位置對其他位置和方向進行相應的測量。

5.根據權利要求3所述的基于盲孔法的復合材料板材的殘余應力分布測量方法，其特征在于，通過改變應變片粘貼的方向和盲孔位置對其他位置和方向進行相應的測量。