TSCGS 317002-2023 金屬材料 殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定 變形力法

.S1SJ4.團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)S3金屬材料 殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定 變形力法cd3發(fā)布 4實(shí)施中國圖學(xué)學(xué)會(huì) 發(fā)布中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 出版S3目 次前言 Ⅲ引言 Ⅳ范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1符號(hào)和縮略語 1原理 2變形力測(cè)量原理 2殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷原理 2測(cè)量設(shè)備和材料 3力傳感器 3材料約束裝置 3測(cè)量流程和方法 3

…………………3被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備 4獲取體積系數(shù)矩陣 5材料去除及變形力測(cè)量 5數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解 6殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差分析與結(jié)果評(píng)價(jià) 6應(yīng)用示例 8檢測(cè)報(bào)告的編寫 8檢測(cè)記錄檢測(cè)報(bào)告

……………8……………8附錄A資料性)殘余應(yīng)力變形力力學(xué)原理 9附錄B資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例 1附錄C資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告 4參考文獻(xiàn) 9ⅠS3前 言本文件按照標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則的規(guī)定起草。本文件由南京航空航天大學(xué)提出。本文件由中國圖學(xué)學(xué)會(huì)歸口。本文件起草單位南京航空航天大學(xué)航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司。本文件主要起草人李迎光劉長青牟文平趙智偉張烘州李德華何方舟王鵬程郭浩楠郝小忠、黃信達(dá)李仁政陳智斌王恩寧陳俊松王寧坤。ⅢS3引 言殘余應(yīng)力是產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后留存在構(gòu)件表面和內(nèi)部的自相平衡的應(yīng)力具有大小方向和位置三維空間矢量分布特征。產(chǎn)品殘余應(yīng)力是產(chǎn)品構(gòu)件的一個(gè)基本屬性存在于產(chǎn)品全生命周期對(duì)產(chǎn)品構(gòu)件的強(qiáng)度抗斷裂性能疲勞強(qiáng)度構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性抗腐蝕能力制造質(zhì)量和服役工作可靠性等有著重要的影響對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量及分析是重要且必要的。本文件旨在高精度地測(cè)量大型試件的殘余應(yīng)力場(chǎng)有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能優(yōu)化產(chǎn)品的加工工藝提高零件合格率更加準(zhǔn)確的評(píng)估產(chǎn)品服役壽命能夠?yàn)楦邇r(jià)值產(chǎn)品設(shè)備的性能和安全性設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)提請(qǐng)注意聲明符合本文件時(shí)可能涉及到1與一種在零件加工過程中精確測(cè)量變形力的方法及裝置相關(guān)的專利的使用。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)對(duì)該專利的真實(shí)性有效性和范圍無任何立場(chǎng)。該專利持有人已向本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)保證他們?cè)敢馔魏紊暾?qǐng)人在合理且無歧視的條款和條件下就專利授權(quán)許可進(jìn)行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)備案。相關(guān)信息可以通過以下聯(lián)系方式獲得:專利持有人姓名李迎光劉長青趙智偉郝小忠倪煬王樹國郭浩楠地址江蘇省南京市秦淮區(qū)御道街9號(hào)南京航空航天大學(xué)明故宮校區(qū)聯(lián)系人劉長青聯(lián)系方式n請(qǐng)注意除上述專利外本文件的某些內(nèi)容仍可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。ⅣS3金屬材料 殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定 變形力法范圍本文件描述了采用變形力法測(cè)定金屬材料開敞性結(jié)構(gòu)類試件內(nèi)部初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的方法。本文件適用于采用變形力法進(jìn)行金屬材料殘余應(yīng)力的測(cè)定。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中注日期的引用文件僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改單適用于本文件。3機(jī)械制造工藝基本術(shù)語2半導(dǎo)體器件第3部分半導(dǎo)體傳感器壓力傳感器2機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則1技術(shù)產(chǎn)品文件產(chǎn)品殘余應(yīng)力符號(hào)表示法術(shù)語和定義1界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

產(chǎn)品殘余應(yīng)力s產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后留存在構(gòu)件表面和內(nèi)部的自相平衡的應(yīng)力。注具有大小方向和位置三維空間矢量分布特征。來源修改]變形力e工作在非切削狀態(tài)下因切削去除材料引起的不平衡應(yīng)力場(chǎng)使工件產(chǎn)生變形趨勢(shì)在裝夾約束狀態(tài)下變形趨勢(shì)必然會(huì)在工作臺(tái)裝夾等約束位置產(chǎn)生力的變化將此產(chǎn)生等效變形趨勢(shì)的力定義為變形力。

變形力法ed通過監(jiān)測(cè)試件材料去除過程中的變形力推斷試件內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)的方法。殘余應(yīng)力場(chǎng)d在產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后整體構(gòu)件內(nèi)形成的一種具有三維空間矢量分布特征的物理量場(chǎng)。體積系數(shù)矩陣x材料在不同幾何狀態(tài)下不同區(qū)域不同方向的殘余應(yīng)力值對(duì)變形力影響大小的系數(shù)組成的矩陣。1S3符號(hào)下列符號(hào)適用于本文件見表。表1符號(hào)符號(hào)單位說明0a試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)Mv—幾何v的體積系數(shù)矩陣FvcN幾何v約束狀態(tài)的變形力a推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力值M—系列加工過程的幾何體積系數(shù)矩陣FN系列加工幾何狀態(tài)下所有約束點(diǎn)不同方向的變形力向量I—單位矩陣α*—超參數(shù))—推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的偏差D)—?dú)堄鄳?yīng)力推斷結(jié)果的方差矩陣π—圓周率GN重力原理變形力測(cè)量原理材料去除過程中試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的平衡被打破由于裝夾裝置的存在不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)作用于裝夾裝置使裝夾裝置產(chǎn)生作用力抵抗變形從而保持試件平衡狀態(tài)。根據(jù)疊加原理變形力對(duì)變形的影響等效不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)變形的影響。通過傳感器測(cè)量約束點(diǎn)力的變化值即可獲得變形力。殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷原理獲得系列材料加工過程中產(chǎn)生的變形力利用殘余應(yīng)力場(chǎng)變形力力學(xué)方程組如式所示求解殘余應(yīng)力場(chǎng)的方法定義為變形力法原理如圖1所示。具體推導(dǎo)過程見附錄。式中:

0F 1)M系列加工過程的幾何體積系數(shù)矩陣;0試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng);F系列加工幾何狀態(tài)下所有約束點(diǎn)不同方向的變形力向量單位為牛。2S3試件內(nèi)殘余應(yīng)力分布示意圖 變形力生成機(jī)理圖圖1變形力法測(cè)定殘余應(yīng)力場(chǎng)原理測(cè)量設(shè)備和材料力傳感器力傳感器按照2選取力傳感器量程大于單個(gè)測(cè)力點(diǎn)約束裝置變形力幅值與單個(gè)測(cè)力點(diǎn)約束裝置所受加工過程附加力的和的0力傳感器分辨率小于量程‰。材料約束裝置試件約束裝置根據(jù)功能分為測(cè)力點(diǎn)約束裝置與非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置測(cè)力點(diǎn)約束裝置集成了力傳感器測(cè)量變形力時(shí)應(yīng)采用鉸接方式避免測(cè)量點(diǎn)力矩的引入影響測(cè)力精度非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置保證試件測(cè)量過程中的定位與夾緊要求。測(cè)量流程和方法概述變形力法推斷初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的過程由被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備獲取體積系數(shù)矩陣材料去除及變形力測(cè)量數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解等構(gòu)成見圖具體示例見附錄。3S3圖2變形力法測(cè)量殘余應(yīng)力場(chǎng)流程被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備確定變形力測(cè)量位置變形力測(cè)量點(diǎn)的位置根據(jù)材料幾何選擇外圍角點(diǎn)或邊界點(diǎn)且應(yīng)保證變形力的測(cè)量位置形成的區(qū)域包絡(luò)整體材料具體可依據(jù)專利”。安裝材料約束裝置根據(jù)不同試件結(jié)構(gòu)選用不同的約束裝置布局方法以滿足變形力測(cè)量原則如框類梁類壁板類試件的材料選用材料中間區(qū)域固支約束測(cè)量點(diǎn)簡支約束的布局。安裝力傳感器力傳感器通過連接元件與試件測(cè)量點(diǎn)形成簡支約束。應(yīng)根據(jù)變形力方向確定力傳感器測(cè)量方向宜使用多向力傳感器結(jié)構(gòu)件安裝示意圖如圖3所示。4S3標(biāo)引序號(hào)說明:力傳感器;殘余應(yīng)力;非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置;4被測(cè)構(gòu)件;測(cè)力點(diǎn)約束裝置;6結(jié)構(gòu)件。獲取體積系數(shù)矩陣

圖3結(jié)構(gòu)件安裝示意圖體積系數(shù)矩陣通過有限元計(jì)算獲得有限元計(jì)算應(yīng)按照2給出的方法計(jì)算有限元計(jì)算參數(shù)至少應(yīng)包括試件楊氏模量泊松比密度。根據(jù)有限元模型計(jì)算每個(gè)區(qū)域的單位殘余應(yīng)力對(duì)測(cè)量點(diǎn)的變形力的影響系數(shù)并根據(jù)影響系數(shù)組裝體積系數(shù)矩陣。通過有限元仿真方法計(jì)算體積系數(shù)矩陣時(shí)應(yīng)以完整測(cè)量試件形狀建立有限元模型試件設(shè)置為彈性體應(yīng)設(shè)置密度楊氏模量泊松比3個(gè)材料參數(shù)網(wǎng)格大小根據(jù)實(shí)際試件與殘余應(yīng)力重構(gòu)精度決定宜小于5并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格仿真得到的變形力應(yīng)至少保留3位有效數(shù)字。通過施加固支約束的方法模擬非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置。根據(jù)實(shí)際情況使用彈簧單元模擬測(cè)力點(diǎn)簡支約束。體積系數(shù)矩陣的獲取應(yīng)根據(jù)試件材料去除過程和材料去除順序建立分析步通過生死單元法模擬材料去除過程每個(gè)分析步對(duì)應(yīng)1個(gè)去除材料后的幾何并在模型上施加不同的應(yīng)力場(chǎng)分別進(jìn)行仿真。仿真完成后根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算每個(gè)分析步中的幾何對(duì)應(yīng)的體積系數(shù)矩陣Mv組合后即可得到全局幾何體積系數(shù)矩陣M。體積系數(shù)矩陣數(shù)據(jù)排布格式為仿真模型數(shù)量分析步數(shù)變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。材料去除及變形力測(cè)量根據(jù)實(shí)際加工需求去除材料每去除一個(gè)特征或一層材料可測(cè)量一組變形力。材料去除加工參數(shù)的選擇應(yīng)減小附加殘余應(yīng)力的引入。測(cè)試環(huán)境宜在室溫5℃下溫度波動(dòng)小于5℃。5S3變形力測(cè)量應(yīng)在試件不加工的狀態(tài)下進(jìn)行通過和變形力監(jiān)測(cè)傳感器初始狀態(tài)求差獲得變形力且應(yīng)減小環(huán)境附加影響如材料碎屑冷卻液等影響。通過多次材料去除過程得到一組變形力測(cè)量值F。實(shí)際環(huán)境中變形力是一種集中力所以變形力監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形力監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)構(gòu)成簡支約束以監(jiān)測(cè)變形力。由于不同的裝夾約束形式下試件受到的作用力形式不同因此試件的約束形式是實(shí)現(xiàn)變形力精確監(jiān)測(cè)的前提。在加工過程中裝夾裝置是試件約束的主要組成部分。為實(shí)現(xiàn)加工過程中變形力的監(jiān)測(cè)作為定位固定增強(qiáng)工件剛度的裝夾裝置不僅要滿足變形力監(jiān)測(cè)的約束條件充分反映試件的變形狀態(tài)同時(shí)需要保證試件加工基準(zhǔn)。為精確測(cè)量變形力使變形力能夠充分等效不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)變形的影響變形力測(cè)量過程符合以下要求:測(cè)量方向條件變形力測(cè)量方向根據(jù)工件的主變形方向確定使不同位置監(jiān)測(cè)的不同方向變形力滿足變形力精確測(cè)量條件;裝夾包絡(luò)約束變形力監(jiān)測(cè)裝置宜布置于試件外圍且所有監(jiān)測(cè)裝置形成的包絡(luò)面應(yīng)包絡(luò)試件幾何;局部變形約束變形力監(jiān)測(cè)過程中工件弱剛性部位等容易發(fā)生局部變形的地方需布置變形力監(jiān)測(cè)裝置。數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解通過求解體積系數(shù)矩陣M的逆矩陣求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值如式所示。=MF 2)式中:M1體積系數(shù)矩陣M的逆矩陣。當(dāng)材料去除量較小時(shí)體積系數(shù)矩陣M為病態(tài)矩陣。變形力測(cè)量誤差可能導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。為減少以上效應(yīng)可采用式所示的吉洪諾夫正則化方法。=MM1MF 3)式中:推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力值單位為兆帕;F測(cè)量得到的變形力單位為牛;超參數(shù)可通過廣義交叉驗(yàn)證方法獲取最優(yōu)超參數(shù);I單位矩陣。殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差分析與結(jié)果評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差來源基于變形力的殘余應(yīng)力測(cè)定方法的主要誤差來源有以下幾個(gè)方面殘余應(yīng)力場(chǎng)的不均勻性體積系數(shù)矩陣求解誤差力傳感器測(cè)量誤差材料去除過程引起的誤差。體積系數(shù)矩陣求解誤差通過有限元求解體積系數(shù)矩陣時(shí)仿真模型的參數(shù)誤差網(wǎng)格劃分大小會(huì)造成體積系數(shù)矩陣的求解誤差?？赏ㄟ^細(xì)化網(wǎng)格使用更加準(zhǔn)確的材料參數(shù)降低體積系數(shù)矩陣求解誤差。力傳感器測(cè)量誤差變形力測(cè)量誤差主要來源于力傳感器的誤差以及環(huán)境因素對(duì)變形力測(cè)量的影響。在測(cè)量過程6S3中可通過對(duì)力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償在變形力測(cè)量前清理切屑切削液等方式降低力傳感器的測(cè)量誤差。材料去除過程引起的誤差切削殘余應(yīng)力場(chǎng)材料去除過程中引入的附加殘余應(yīng)力如切削殘余應(yīng)力的過度引入將影響初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的推斷結(jié)果?？赏ㄟ^線切割高速加工等切削殘余應(yīng)力較小的加工方法去除材料。重力場(chǎng)材料去除過程中隨著材料的去除試件重力不斷變化其影響了加工過程中變形力的測(cè)量精度和殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷效果根據(jù)式可減小重力場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)推斷影響的影響。式中:

0FG 4)G僅重力作用時(shí)在變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的力單位為牛。殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果可以通過推斷偏差方差進(jìn)行評(píng)價(jià)。推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)偏差估算推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的偏差估算公式如式所示。=-*MMG1r=*MMG1M1F………5)式中:r真實(shí)殘余應(yīng)力場(chǎng)。推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)方差估算推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的方差估算公式如式~式所示。D2MMG1MMMMG1 6)=L=F) 7)=式中:D方差;

2m

…………8)2實(shí)測(cè)變形力的單位權(quán)重方差采用最小二乘法估算;m測(cè)量的變形力的數(shù)量單位為個(gè);n未知?dú)堄鄳?yīng)力場(chǎng)值的數(shù)量單位為個(gè)。推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)置信度估算n推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)置信度估算公式如式所示。n=i

-iDi

(Di() 9)仿真環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析及評(píng)價(jià)方法在理論環(huán)境中可以根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境的約束條件在仿真環(huán)境中設(shè)置殘余應(yīng)力場(chǎng)采集變形力推7S3斷殘余應(yīng)力場(chǎng)最后通過均方根誤差等評(píng)價(jià)方法對(duì)比推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)與設(shè)置理論殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)而直接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果。實(shí)際加工環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法實(shí)際加工環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果說明在實(shí)際環(huán)境中難以獲得真實(shí)的殘余應(yīng)力值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)因此可以通過分析受殘余應(yīng)力場(chǎng)直接影響的物理量評(píng)價(jià)推斷結(jié)果一般通過數(shù)值仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)變形力或變形量?；诤罄m(xù)加工變形力的推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法在實(shí)際環(huán)境中可以將變形力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)即使用推斷的殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)試件后續(xù)加工操作中產(chǎn)生的變形力并將預(yù)測(cè)的變形力與監(jiān)測(cè)的變形力進(jìn)行對(duì)比間接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果?；诤罄m(xù)加工變形量的推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法在實(shí)際環(huán)境中可以將變形量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)即使用推斷的殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)試件后續(xù)加工操作中產(chǎn)生的變形量并將預(yù)測(cè)的變形量與監(jiān)測(cè)的變形量進(jìn)行對(duì)比間接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果。測(cè)量停止判斷條件變形力測(cè)量值是否滿足推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的推斷精度要求應(yīng)根據(jù)已測(cè)量變形力組成的體積系數(shù)矩陣的條件數(shù)推斷結(jié)果收斂情況推斷結(jié)果置信度等條件判斷。建議以推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)的后續(xù)加工的變形力作為判斷依據(jù)當(dāng)用于推斷的變形力數(shù)量增加推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)結(jié)果收斂預(yù)測(cè)的變形力誤差減少時(shí)可判斷殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果滿足需求。應(yīng)用示例變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例見附錄B。檢測(cè)報(bào)告的編寫檢測(cè)記錄在殘余應(yīng)力檢測(cè)過程中可以手動(dòng)或自動(dòng)記錄檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)結(jié)果應(yīng)包括檢測(cè)環(huán)境溫度試件材料、試件尺寸殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)值測(cè)力點(diǎn)約束裝置布置位置與非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置布置位置材料去除順序、材料去除量監(jiān)測(cè)變形力數(shù)值等。檢測(cè)報(bào)告檢測(cè)報(bào)告內(nèi)容一般包括檢測(cè)單位人員日期檢測(cè)環(huán)境溫度試件材料試件尺寸材料去除方法測(cè)力點(diǎn)約束裝置非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置測(cè)力點(diǎn)約束裝置布置位置非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置布置位置殘余應(yīng)力檢測(cè)的具體數(shù)值等。變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告示例見附錄。8S3附 錄A資料性)殘余應(yīng)力場(chǎng)變形力力學(xué)原理e*Tee*e*Tee*T0e=*Tee*TNTeV V式中:

V………………1)*e 單元節(jié)點(diǎn)的虛位移單位為米;fe 單元節(jié)點(diǎn)外力單位為牛;*T單元的虛應(yīng)變*應(yīng)滿足*=B*e;σe 單元載荷引起的應(yīng)力σe=DBδe其中D為彈性系數(shù)矩陣單位為兆帕0單元的殘余應(yīng)力向量0xyzxyzσe ; σe=σσστττT單位為兆帕;0單元的殘余應(yīng)力向量0xyzxyzNT 形函數(shù);} —體積力此處為重力單位為牛;e —材料的體積微元。V代入式后得到式:VV*V

eBTDBδe=*Te+*T

eNTe+*

BT0e進(jìn)一步方程兩邊略去*T得到式:eBTDBeδe=eeNTeeBe

……2)V( :

V V…………3)可簡化為式

4

ee e e e

…………( )( )

Kδ

g0

4式4包含殘余應(yīng)力體積力的單元?jiǎng)偠确匠?。式?e eeNTe單位為牛;V0e 單元?dú)堄鄳?yīng)力等效節(jié)點(diǎn)載荷e∫Beσe單位為牛V0e單元?jiǎng)偠染仃噀eBTDBe;e 單元節(jié)點(diǎn)位移單位為毫米。通過將式按照試件系統(tǒng)內(nèi)單元的連接關(guān)系組裝集成從而得到試件某一幾何狀態(tài)v下的系統(tǒng)剛度方程如式:

vv v v v

…………( )式中:

KδFG0

5v系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移單位為米;9S3約束力載荷即變形力v的反力v=v單位為牛;cccc體積力載荷單位為牛每平方米2;殘余應(yīng)力等效載荷單位為牛每平方米2cccc系統(tǒng)剛度矩陣?？紤]試件變形力測(cè)量裝置形成的簡支約束等邊界條件后可將剛度矩陣按照節(jié)點(diǎn)約束條件進(jìn)行劃分因此可進(jìn)一步拆分為以下形式不考慮重力等體積力的影響如式:v

vv

0

0v=

crvv= rσ =

………6)v

v0

0

σv式中:

r c

c0

c0 cvvvv根據(jù)節(jié)點(diǎn)約束條件劃分的子剛度矩陣;r c vrr0rvc

c非約束點(diǎn)的單元節(jié)點(diǎn)位移單位為米;殘余應(yīng)力等效載荷單位為牛每平方米2;約束點(diǎn)的單元節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力等效載荷單位為牛每平方米2;約束力載荷單位為牛每平方米2。crrrc通過矩陣乘法約去系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移后可進(jìn)一步可得到變形力與殘余應(yīng)力間的平衡方程如式crrrcv-vv0

…………7)cc將變形力數(shù)據(jù)代入式后試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)0和變形力v的直接力學(xué)關(guān)系如式:cc式中:

0

…………8)crrrv體積系數(shù)矩陣v=vvvcrrr根據(jù)試件材料去除過程可得到系列加工時(shí)刻的殘余應(yīng)力變形力方程。組合后可得到試件系列加工過程中的殘余應(yīng)力場(chǎng)變形力方程組如式:

…………( )式中:

0F

9M系列加工過程的幾何體積系數(shù)矩陣M=M1M2…vT;cF系列加工幾何狀態(tài)下所有約束點(diǎn)不同方向的變形力向量=12…vT單位為牛。c0S3附 錄B資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例概述本附錄給出了變形力法測(cè)量5鋁合金試件殘余應(yīng)力的示例。測(cè)量流程和方法準(zhǔn)備被測(cè)構(gòu)件被測(cè)構(gòu)件說明驗(yàn)證示例為典型鋁合金結(jié)構(gòu)件尺寸為005。試件材質(zhì)為5鋁合金。材料的楊氏模量為7泊松比為。該試件包含7個(gè)槽特征每個(gè)槽的深度為2腹板厚度為3筋厚為4。確定變形力測(cè)量位置在實(shí)際加工過程中4個(gè)變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置在工件的轉(zhuǎn)角處包絡(luò)整體材料并形成簡支約束測(cè)量Z方向的變形力。安裝材料約束裝置和測(cè)力點(diǎn)約束裝置考慮到試件材料的主要變形力方向由3個(gè)固定裝夾單元和4個(gè)集成Z向力傳感器的變形力監(jiān)測(cè)單元對(duì)試件進(jìn)行約束。根據(jù)加工工藝要求用3個(gè)固定裝夾單元約束試件的6個(gè)自由度以保證加工基準(zhǔn)。測(cè)力點(diǎn)約束裝置的概念圖如圖下端為力傳感器上端為鉸鏈連接裝置用于連接試件。在每個(gè)槽去除每一層材料后通過安裝在4個(gè)變形力監(jiān)測(cè)裝夾裝置中的力傳感器記錄4個(gè)變形力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置布局如圖所示。變形力監(jiān)測(cè)裝置中集成的力傳感器測(cè)量范圍為分辨率為1。圖1測(cè)力點(diǎn)約束裝置1S3結(jié)構(gòu)件信息 結(jié)構(gòu)件加工裝夾布局標(biāo)引序號(hào)說明:;;;固定裝夾裝置;結(jié)構(gòu)件;固定裝夾;約束裝置。圖2示例試件信息及裝夾布局獲取體積系數(shù)矩陣根據(jù)加工過程中獲得的變形力數(shù)據(jù)的數(shù)量和5鋁合金材料殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律將其殘余應(yīng)力場(chǎng)劃分為2個(gè)區(qū)域沿Z方向分為3層沿XY平面均勻分為4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域包含xy而在預(yù)拉伸的鋁合金材料中z和剪切應(yīng)力可以忽略。該示例的體積系數(shù)矩陣M是通過有限元方法得到邊界條件與實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中裝夾的約束相同。試件幾何模型來自試件的設(shè)計(jì)模型體積系數(shù)矩陣M由施加單位殘余應(yīng)力得到的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)不同方向殘余應(yīng)力系數(shù)組成。體積系數(shù)矩陣M的規(guī)模為。材料去除及變形力測(cè)量槽的加工順序如圖中所示每個(gè)槽去除1層材料每個(gè)加工操作的切削深度為2第2層和第3層是剩余的材料。因此共對(duì)7個(gè)槽進(jìn)行了7次加工操作。在本示例中材料去除方法為銑削去除策略為層優(yōu)先即在加工中依次去除不同槽中相同深度即同一層的材料。在去除每個(gè)槽特征每層材料后4個(gè)力傳感器依據(jù)順序記錄變形力的變化在該試件加工過程中共記錄8個(gè)變形力數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解根據(jù)2中式求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值結(jié)果如圖3所示根據(jù)7中式所示的置信度估算2S3方法計(jì)算得到的殘余應(yīng)力置信區(qū)間如圖4藍(lán)色陰影所示圖中展示了8置信水平下應(yīng)力場(chǎng)的置信區(qū)間。圖3示例加工現(xiàn)場(chǎng)及監(jiān)測(cè)變形力數(shù)據(jù)圖4求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值3S3附 錄C資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告鋁合金結(jié)構(gòu)件變形力法殘余應(yīng)力測(cè)量檢測(cè)報(bào)告編寫人員:校對(duì)人員:審核人員:批準(zhǔn)人員:單位:4測(cè)試樣品及傳感器布置

S3本次測(cè)量項(xiàng)目共一件測(cè)試樣品待測(cè)樣品為5鋁合金結(jié)構(gòu)件尺寸為0m0m×5如圖1所示。材料的楊氏模量為7泊松比為。該試件包含7個(gè)槽特征每個(gè)槽的深度為2腹板厚度為3筋厚為4。圖1試樣零件圖考慮到試件材料的主要變形力方向由3個(gè)固定裝夾單元和4個(gè)集成Z向力傳感器的變形力監(jiān)測(cè)單元對(duì)試件進(jìn)行約束。根據(jù)加工工藝要求用3個(gè)固定裝夾單元約束試件的6個(gè)自由度以保證加工基準(zhǔn)。測(cè)力點(diǎn)約束裝置非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置裝置布局如圖2所示在測(cè)力點(diǎn)約束裝置中布置如圖3所示的單向力傳感器力傳感器相關(guān)參數(shù)如表。 結(jié)構(gòu)件信息 結(jié)構(gòu)件加工裝夾布局圖2試件信息及裝夾布局5S3標(biāo)引序號(hào)說明:;;;;固定裝夾裝置;結(jié)構(gòu)件;固定裝夾;約束裝置。相關(guān)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)量程g精度等級(jí)1S相關(guān)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)量程g精度等級(jí)1S額定輸出50V零點(diǎn)輸出4V非線性1S滯后1S重復(fù)性5S蠕變0)5S溫度靈敏度漂移10℃零點(diǎn)溫度漂移10℃輸入電阻00Ω輸出電阻05Ω6表1力傳感器相關(guān)參數(shù)續(xù)

S3相關(guān)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)絕緣電阻00)使用電壓50C最大使用電壓5C溫度補(bǔ)償范圍0℃0℃工作溫度范圍0℃0℃安全過載0S極限過載0S電纜線尺寸3定制)防護(hù)等級(jí)6材料去除方法該試件包含7個(gè)槽特征