基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，首先采用有限元分析的方法確定零件合適的長度，根據有限元分析結果截取零件合適的長度進行測量，采用化銑剝層進行逐層去除材料，并用有限元計算其補償系數，最終根據每次剝層后用X射線法測得的表面應力值以及有限元計算得到的補償系數計算零件的真實初始應力。本發明公開的應力測量方法計算簡單、精度可靠，且對零件長度的要求并不苛刻。克服了現有技術中慣用的Moore和Evans的修正方法所存在的計算復雜、對零件以及應力要求較為苛刻，以及其精度往往還達不到要求等諸多問題。
【專利說明】基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種應力測量方法，具體為一種基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，涉及機械工程領域。
【背景技術】
[0002]殘余應力是物體在外力卸載后或無力作用狀態下，其內部仍然存在的自相平衡的應力，由于其存在，零件的靜力強度、疲勞強度、及抗腐蝕性能均會收到嚴重影響，使得零件在制造工程中產生開裂和變形等諸多方面的工藝缺陷，從而其使用壽命受到嚴重影響；同時殘余應力的存在還會嚴重影響到零件的幾何穩定性和尺寸穩定性，使得零件在精度上也受到嚴重的制約。由于鈦合金材料密度小、強度高、耐腐蝕、耐高溫等諸多方面的優點，目前在航空領域應用為較廣泛。其加工引起的表面殘余應力同樣會影響到該零件的各方面的性能，因此研究鈦合金零件加工表面殘余應力，在航空領域具有重要意義。
[0003]從上世紀30年代起，在殘余應力測量領域國內外已經取得了令人矚目的成果，目前廣泛使用的測量方法已有十余種，主要分為有損檢測法和無損檢測法兩類。有損檢測法主要包括環芯法、鉆孔法、分割切條法等，其優點為理論完善、技術成熟、測量精度較高，主要缺點是該方法會對零件造成一定的破壞。無損測量法即物理檢測法，主要有中子衍射法、X射線法、掃描電子聲顯微鏡法、超聲法和磁性法、電子散斑十涉法等，其優點為對被被測零件無損害，缺點為成本較高、所需設備昂貴，在某些場合下其測量精度還不盡人意。
[0004]目前在工業上運用最為廣泛且技術最為成熟的測量方法是X射線法。對于工業上常用的金屬材料，由于X射線的穿透能力往往很差，通常只能穿透幾微米的深度，若要測得隨深度不斷變化的殘余應力值，必須將X射線法與剝層去除材料進行結合來測量。在對零件進行剝層去除材料過程中，殘余應力的原平均狀態會被破壞，其應力狀態會發生變化從而達到一個新的平衡狀態，即剝層后其表面殘余應力值已經發生一定的變化，此時用X射線法測量得到的應力值并不能代表原先的實際應力值，為了較準確測量初始殘余應力值，對剝層后用X射線法測量得到的應力值必須進行修正和補償。
[0005]縱觀國內外文獻可知,從1958年Moore和Evans提出的筒狀工件殘余應力修正公式以來，在該方面并未有突出進展，目前其仍然是工業上運用最為廣泛的修正補償方法，其修正公式為:
【權利要求】
1.基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，其特征在于，具體步驟如下: 步驟一、在有限元軟件中對筒狀零件的截面進行建模，通過對所述有限元軟件進行二次開發，確定筒狀零件的軸向長度； 步驟二、根據有限元分析的結果用線切割截取步驟一中得到的筒狀零件的軸向長度； 步驟三、用X射線法測量筒狀零件外壁軸向中部的軸向殘余應力σζ(ι和切向殘余應力σ to ? 步驟四、對筒狀零件外壁進行化銑剝層，剝層后用X射線法測量剝層后的新生表面的軸向和切向的殘余應力oz1、Oti，重復上述化銑剝層以及測量的操作，直至所測量的軸向和切向的殘余應力值持續為O ; 步驟五、在有限元軟件中根據筒狀零件的實際尺寸進行建模，并根據步驟四中每次化銑剝層的深度將所述模型分割，向模型施加殘余應力值，運用生死單元技術計算每次剝層后殘余應力的修正系數； 步驟六、根據步驟五得到的修正系數對筒狀零件每次剝層后的表面殘余應力值進行修正，得到筒狀零件外壁隨深度變化的實際殘余應力值。
2.如權利要求1所述的基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，其特征在于:所述筒狀零件的長度和外徑比值λ滿足λ > 1.11。
3.如權利要求1所述的基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，其特征在于:所述步驟四的化銑剝層方法中，化銑液的成分為氫氟酸和硝酸。
4.如權利要求1所述的基于有限元補償系數的筒狀零件表面加工應力測量方法，其特征在于，所述步驟五中得到的修正系數和所述步驟六中得到的實際殘余應力值的具體計算方法為:
【文檔編號】G01L1/25GK103983386SQ201410212138
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】周兆鋒, 倪驍驊, 高飛, 成崗, 孟龍暉 申請人:鹽城工學院
專業數控銑床產品供應商
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