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【核心技术】轮廓法

发布时间:2016-12-08

轮廓法

轮廓法由美国劳斯阿拉莫斯国家实验室(Los AlamosNational Laboratory)的研究工程师 Prime 于 2000 年在第六届国际残余应力会议上首先提出[1]。2001 年 Prime 发表了第一篇关于轮廓法的学术论文[2]。

该方法具有理论简单,试验过程简洁,测试精度高等优点,已广泛应用于航空、航天、核电等工业结构件的应力测试。目前轮廓法测试残余应力是损伤测试方法中的研究热点。

经过十余年的发展与完善,轮廓法已广泛的用于各类材料的残余应力测试,是目前测试精度最高的有损检测技术。



测试原理

轮廓法的理论基础是 Bueckner[3-5]的叠加原理的一种变换:假设试样内部存在未知的残余应力σx,如图1 状态 A。试样沿着需要研究和评估残余应力的截面完整切开成为两半,由于应力释放并重新分布,切割面轮廓产生变形,如图1 状态 B。施加外力将变形后的切割面恢复到切割前的平面状态,如图 1 状态 C。 

 


 

根据 Bueckner 叠加原理,状态A 的初始残余应力等于状态B 的自由应力状态与状态C 的反向应力状态的叠加,如公式1所示。



σA(x,y, z) =σB(x,y, z) +σC(x, y, z)     (1)



其中σ代表全部应力分量,通常试样在状态 B 的应力未知,但是在切割导致的切割面上,根据自由边界条件,应力σx, τxy, τxz=0. 因此公式 1 变为:



σA(x,y, z) =σC(x, y,z)                      (2)



即切割面状态 A的应力等效于状态 C 的应力。

轮廓法测量残余应力基于以下 3个假设:

(1) 完全弹性释放假设;

(2) 切割过程的“零应力”假设;

(3) 切割面理想平面假设。



完全弹性释放假设是所有机械释放法测量残余应力的基本假设之一,即假设材料去除导致的变形是完全弹性范围内的,没有塑性变形的产生。轮廓法的测试对象多为金属材料,由于电火花线切割加工是非接触式加工,在合适的加工参数下,导致的加工应力十分微小,可以忽略不计。同时电火花加工的材料去除量也非常小,可以保证切割面的理想平面假设。



测试精度

轮廓法对试样的尺寸外形没有严格限制,1~100mm 厚度甚至更大的试样均可测试。当试样截面尺寸小于 5×5mm2 时,测量位移信号需要高精度的设备。空间分辨率主要取决于测试点阵的密度和有限元网格的划分。轮廓法的测试精度根据不同的试样略有不同,最好可达到20MPa[6]。



轮廓法能够提供垂直于切割面的二维残余应力分布,适合测量试样外形尺寸复杂,应力梯度变化较大的试样。缺点是一次切割只能测量一个方向的残余应力,即垂直于截面方向,并且损坏试样。基于轮廓法的测量特点,Pagliaro[7-9]在 Prime 的基础之上,提出了基于多次切割和叠加原理的改进轮廓法(multiple cut contourmethod)。针对传统轮廓法测试的局限性,Pagliaro提出通过 2 次切割即可获得 2 个方向的残余应力,基于应力状态的假设,通过测量相应的变形轮廓即可获得 3 个方向的残余应力分布。为了验证改进的轮廓法,Pagliaro 等人设计了试验并进行了测试,同时采用中子射线衍射法、X射线衍射法和 ESPI 钻孔法进行了对比。试验结果表明,改进的轮廓法具有很好的测量精度,结合表层残余应力测试技术,具有广阔的应用前景。



参考文献

 [1] M.B. Prime, A.R. Gonzales. TheContour Method: Simple 2-D Mappingof Residual Stresses. Proceeding of 6thInternational Conference on ResidualStresses, Oxford, U.K., 2000, 1: 617-624.

[2] M.B. Prime. Cross-sectional mappingof residual stresses by measuringthe surface contour after a cut. Journal ofEngineering Materials andTechnology, Transactions of ASME,2001, 123: 162–168.

[3] H.F. Bueckner. The propagationofcracks and the energy of elastic deformation. Transactions of ASME,1958,80:1225-1230.

[4] H.F. Bueckner. Novel principleforthe computation of stress intensity factors, Zeitschrift fuerAngewandteMathematik & Mechanik, 1970, 50(9):529-546.

[5] H.F. Bueckner. Fieldsingularitiesand related integral representations, G.C Sih (ed). Mechanics of Fracture,1973,1: 239-314.

[6] G.S. Schajer. PracticalResidualStress Measurement Methods. New Jersey: wiley-blackwell press, 2013,109-138.

[7] P. Pagliaro, M.B. Prime,H.Swenson,et al. Measuring Multiple Residual-Stress Components Using theContourMethod and Multiple Cuts. Experimental Mechanics, 2010, 50: 187-194.[8] P. Pagliaro, M.B. Prime, J.S.Robinson, et al. Measuring inaccessibleresidual stresses using multiplemethods and superposition. ExperimentalMechanics, 2011,51: 1123–1134.

[9] P. Pagliaro. Mapping multipleresidualstress components using the contour method and superposition,[Ph.Ddissertation]. Palermo: Universitá degli Studi di Palermo, 2008. 


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