专利名称：基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法
技术领域：
本发明涉及一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法，属于测
量技术领域。
背景技术：
毛坯内应力在毛坯切割成零件的过程中将随着材料不断切除逐渐释放并产生的 内应力不平衡，由此导致加工后零件发生变形。为了研究和控制加工变形必须对毛坯的内 应力进行测量，获得毛坯内应力分布。现有多种测量残余应力的方法，根据测量原理不同可 以分为两大类基于材料物理属性的测量方法和基于材料去除的测量方法。前者包括X射 线法、超声波法、磁性法和光弹性法等。后者包括小孔法、逐层法和裂纹柔度法等。x射线 法、超声波法和磁性法仅能测量物体表层数微米范围内的应力平均值，光弹性法虽然能测 量物体内部应力分布，但仅适用于透明物体，不适用于不透明的金属毛坯。小孔法可以较准 确地测量钻孔处数毫米深度范围内的应力平均值，但是其测量深度也仅限于数毫米范围以 内。逐层法和裂纹柔度法能够测量毛坯内应力沿其厚度方向的分布，适用于测量均匀应力 场。对于铝合金预拉伸板等类型的毛坯，其内应力通常仅沿毛坯厚度方向变化，而在同一厚 度的层内变化较小，近似于均匀分布。利用逐层法或者裂纹柔度法测量毛坯应力分布时需 测量试样随着材料逐层切除或者裂纹逐渐增大发生的应变，通常是通过粘贴应变片搭建电 桥来完成，要求操作人员具有较高的技术水平。同时，这两种方法要求每切除一层材料或加 大裂纹深度都释放一次夹具，然后再记录一次应变数据，操作步骤多，效率不高。同时，逐层 法所得应力分布数据间隔等于每次所切除的材料层厚，同样，裂纹柔度法所得应力分布数 据间隔等于相连两次裂纹深度之差。对于厚度为数十毫米的毛坯，考虑到测量效率每次切 除的材料厚度或加大的深度通常为2毫米左右，因此两者的分辨率较低。

发明内容
本发明针对毛坯均匀应力分布的测量操作繁琐、效率低、数据分辨率低等问题，提 出了一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法，具有操作简单、测量效 率高和数据分辨率可达数十微米等优点，适合于毛坯内应力的快速测量
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，从块状毛坯的长度和宽度方向
分别截取两个试样，然后将两试样分别切割成两个尺寸一致的斜楔结构并分别测量两斜楔
底面的变形曲线，再由这两个变形曲线利用斜楔算法分别计算出毛坯长度和宽度方向的正
应力沿毛坯厚度方向的分布；其中所述试样为长方体，厚度与毛坯厚度一致，试样被切割成
斜楔形，其底面沿长度方向在切割成斜楔结构前先预加工出一个变形测量带。 所述试样宽度与厚度的比值范围可为1至IO，长度与宽度的比值范围可为2至5。 所述所述斜楔最大厚度等于试样厚度，斜楔最小厚度为零，斜楔的长度和宽度分
别等于试样的长度和宽度，斜楔底面与切割前的试样被加工出变形测量带的底面为同一底面。 所述试样的测量带与试样底面平行的矩形面光滑平直，该矩形面长度等于试样长 度，宽度为1至5毫米，且位于试样底面宽度方向的中间位置，距离试样底面0. 1至0.2毫 米。 试样切割成斜楔时，在内应力作用下测量带发生弯曲的变形量沿其测量带长度方 向变化的曲线；所述变形曲线的测量方法如下将斜楔底面朝上，利用固定不动的非接触 式的激光位移传感器对准测量带中央位置，使斜楔沿其长度方向水平移动与激光位移传感 器构成相对运动完成底面变形曲线扫描，扫描中两次采样点的空间距离小于0. 05毫米。
所述斜楔算法如下依据变形曲线计算出斜楔截取方向的正应力沿厚度方向的分 布，斜楔长度方向为X轴，厚度方向为Z轴，则具体计算方法见式(1):
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中0 (z)为正应力沿厚度方向的变化函数，z二/f-了，E为试样材料的弹性
模量，p为试样材料的泊松比，L为试样长度，H为试样高度，x为X轴坐标值；取斜楔厚度 最大端底面上的一个顶点为坐标原点，取值范围为0至L， p 。x为变形曲线在坐标为x处的 曲率半径函数；LX为斜楔在坐标为x处的截面弯曲后，截面的弯曲中性层与截面的中间位 置的距离函数；所述中间位置是指截面沿斜楔厚度方向的中间位置，其可由式(2)解得
AXLX+BXL' X+Cx = 0 (2) 其中参数Ax = 2Lpcx '，参数^ —x) — 2Z^a ，参数
<formula>formula see original document page 5</formula>且pcx'为曲率半径函数p^在x处的一阶数，L' x为函 数Lx在x处的一阶导数，Lx在边界x = 0处的值为-;。 基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法的误差修正方法，包括如下步骤首先， 依据试样尺寸建立两个数值模型并赋予试样的材料参数；然后，分别赋予两个模型初始内 应力分布；再后，利用数值方法分别计算出两模型加工成斜楔的底面附加变形曲线；最后， 将所述变形曲线减去相应的附加变形曲线得到新变形曲线，基于所述新变形曲线利用斜楔 算法计算出新的应力分布结果。 所述两个数值模型分别代所述长度和宽度方向的试样，尺寸与对应试样一致。
所述两个模型初始内应力分布，将代表毛坯长度方向试样的模型仅赋予毛坯宽度 方向的正应力分布，将代表毛坯宽度方向试样的模型仅赋予毛坯长度方向的正应力分布； 毛坯宽度方向的正应力分布和毛坯长度方向的正应力分布均由斜楔算法计算而得。
于所述附加变形曲线，含有初始应力的模型在数值仿真中被切割成斜楔时，底面
发生的变形随着斜楔长度方向的变化曲线。 本发明具有如下效果1、能够测量到毛坯内应力沿毛坯厚度方向的分布。2、试样 直接加工成斜楔，无须多次释放夹具，仅测量一次斜楔底面变形曲线，因此测量效率高。3、用非接触的激光位移传感器扫描底面变形曲线代替测量应变，简化了测量工序。4、变形曲 线扫描时采样点间隔小于0. 05毫米，使得应力沿厚度方向分布数据的间隔远小于0. 05毫 米，分辨率大大提高。


图1为本发明的基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法的一较 佳实施流程图。 图2-图5依次为本发明的基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方 法的四个实施状态示意图。 图1-图5中标号名称101-115、方法实施步骤，1、毛坯板，11、毛坯板长度方向， 12、毛坯板宽度方向，2、毛坯长度方向试样，21、斜楔1，22、斜楔2，3、毛坯宽度方向试样，4、 试样或斜锲底面，5、测量带，6、试样长度方向正应力沿厚度方向的分布，7、激光位移传感器。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明 本发明涉及一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法，通过将 毛坯加工成斜楔结构后测量其低面变形曲线，由该变形曲线计算出毛坯的内应力分布。通 过数值方法对该方法进行误差修正，可以获得较高测量精度。现具体介绍本发明涉及方法 的具体实施方案。 图1为本发明的基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法的一较 佳实施流程。 步骤IOI :如图2所示，从毛坯板1上截取毛坯长度方向试样2和毛坯宽度方向试 样3，毛坯长度方向试样2的长度方向与毛坯长度方向11 一致，毛坯宽度方向试样3的长度 方向与毛坯宽度方向12—致，且长度方向试样2和毛坯宽度方向试样3的尺寸一致，两者 厚度与毛坯1厚度一致，两者宽度取毛坯1厚度的5倍，两者长度取毛坯1厚度的10倍。
步骤102 :如图3所示，将毛坯长度方向试样2的底面4朝上并加工出贯穿试样长 度方向，宽度为5毫米，深度约为0. 1毫米的测量带5。测量带5的深度与试样底面4的平 整度有关，如试样底面4非常不平整，加工时应采用较小的材料切除厚度，如0. 05毫米，逐 层去除直至测量带与底面平行的面平直。对毛坯宽度方向试样3进行同样的操作。
步骤103 :如图4所示，将毛坯长度方向试样2沿其长度和厚度所在的矩形面的对 角线切割成斜楔1-一21和斜楔2-—22。如采用线切割的方法切割，可以得到上述两个斜 楔。如采用铣削的方法则应保证获得完整尺寸的斜楔1-一21，而斜楔2-—22则会被切碎因 此不能得到。后续计算仅需要斜楔1-一21的底面变形数据，所以两种方法均可以满足测量 要求。对毛坯宽度方向试样3进行同样的操作。 步骤104 :如图5所示，斜楔底面4变形曲线的测量可在三座标测量机或者三自由 度机床等平台上进行，将激光位移传感器7固定于平台上方，使得其激光光线向下发射并 垂直于平台的运动方向，将斜楔底面4朝上固定于平台上能够做水平运动的部件上。随着 平台运动部件水平匀速移动，斜楔底面4相对固定的激光位移传感器7移动，进行变形曲线扫描。由于斜楔底面4上的测量带5加工后发生变形，随着扫描的进行测量带5的各被测 量点与激光位移传感器7发生相对位移，位移量由激光位移传感器7采集并保存。可设置 移动速度为300毫米/分钟，激光位移传感器7的采样间隔为10毫秒，则相邻两数据点间 距为0. 05毫米。同时设置斜楔底面4上最左端的位置即X轴的原点为参考零位，随着扫描 进行，后续采集的位移数据构成斜楔底面4的加工变形曲线。对毛坯宽度方向试样3加工 得到的斜楔进行同样的变形曲线操作。共计获得两个斜楔的两个变形曲线。
步骤105 :计算两个变形曲线上各处的曲率半径。
步骤106 :依据式(2)分别计算毛坯长度和宽度方向的Lx。 步骤107 :依据式(1)分别计算毛坯长度方向的正应力分布和宽度方向的正应力 分布。 步骤108 :判断是否为初次计算结果。当步骤105-步骤107第一次被依次执行后 的结果为初尺计算结果，转入步骤109，否则转入步骤114。 步骤109 :在有限元软件中分别建立毛坯长度方向试样2和毛坯宽度方向试样3 的数值模型，并赋予与毛坯材料相同的材料参数。 步骤110 :将毛坯宽度方向试样3由步骤107计算所得的应力分布赋予毛坯长度 方向试样2的数值模型。将毛坯长度方向试样2由步骤107计算所得的应力分布赋予毛坯 宽度方向试样3的数值模型。 步骤111 :在仿真软件中进行斜楔加工仿真，由毛坯长度方向试样2的数值模型得
到一个斜楔，由毛坯宽度方向试样3的数值模型得到另外一个斜楔。 步骤112 :分别读取加工仿真所的两斜楔的底面变形曲线，称为附加变形曲线。
步骤113 :将毛坯长度方向试样2的实际加工所得斜楔的底面变形曲线减去毛坯
长度方向试样2的数值模型加工仿真所得斜楔的底面变形曲线，得到该方向试样的新底面
变形曲线。对毛坯宽度方向试样3做同样操作也可获得一新底面变形曲线。共计获得两个
新变形曲线。 利用两新变形曲线，重复步骤105-108后得到新的应力分布计算结果。从步骤 109-105-108的这一过程为误差修正过程，且修正完毕后进入步骤114。
步骤114 :将修正后的新应力分布与前次计算结果相比较，设定两者差异的门槛 值。当低于设定的门槛值时，精度合格，进入步骤115，否则重新进入步骤IIO，再次进行误
差修正。 步骤115 :测量完成，获得了毛坯长度方向的正应力和宽度方向的正应力沿其厚 度方向的分布。 以上所述仅为本发明涉及的一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差 修正方法的一个较佳实施方式，但本发明的实施范围并不局限于此例。
权利要求
一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于从块状毛坯的长度和宽度方向分别截取两个试样，然后将两试样分别切割成两个尺寸一致的斜楔结构并分别测量两斜楔底面的变形曲线，再由这两个变形曲线利用斜楔算法分别计算出毛坯长度和宽度方向的正应力沿毛坯厚度方向的分布；其中所述试样为长方体，厚度与毛坯厚度一致，试样被切割成斜楔形，其底面沿长度方向在切割成斜楔结构前先预加工出一个变形测量带。
2. 根据权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于所述 试样宽度与厚度的比值范围可为1至IO，长度与宽度的比值范围可为2至5。
3. 根据权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于所述 所述斜楔最大厚度等于试样厚度，斜楔最小厚度为零，斜楔的长度和宽度分别等于试样的 长度和宽度，斜楔底面与切割前的试样被加工出变形测量带的底面为同一底面。
4. 根据权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于所 述试样的测量带与试样底面平行的矩形面光滑平直，该矩形面长度等于试样长度，宽度为1 至5毫米，且位于试样底面宽度方向的中间位置，距离试样底面0. 1至0. 2毫米。
5. 根据权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于试 样切割成斜楔时，在内应力作用下测量带发生弯曲的变形量沿其测量带长度方向变化的曲 线；所述变形曲线的测量方法如下将斜楔底面朝上，利用固定不动的非接触式的激光位 移传感器对准测量带中央位置，使斜楔沿其长度方向水平移动与激光位移传感器构成相对 运动完成底面变形曲线扫描，扫描中两次采样点的空间距离小于0. 05毫米。
6. 根据权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法，其特征在于所述 斜楔算法如下依据变形曲线计算出斜楔截取方向的正应力沿厚度方向的分布，斜楔长度 方向为X轴，厚度方向为Z轴，则具体计算方法见式(1):7 h 2iZ/ + (2 +肌-历)(x - Z) , + 2Z丄,[& + (丄-x),]CT(Z) = _^--^-^-^ (1)(l一〃2) [2丄/^+//(丄一x) + 2丄丄,]2其中o (z)为正应力沿厚度方向的变化函数，Z二if-^，E为试样材料的弹性模量，P为试样材料的泊松比，L为试样长度，H为试样高度，x为X轴坐标值；取斜楔厚度最大端 底面上的一个顶点为坐标原点，取值范围为0至L， P 。x为变形曲线在坐标为x处的曲率半 径函数；LX为斜楔在坐标为x处的截面弯曲后，截面的弯曲中性层与截面的中间位置的距 离函数；所述中间位置是指截面沿斜楔厚度方向的中间位置，其可由式(2)解得 AXLX+BXL' X+Cx = 0 (2)其中参数、=21^'，参数&=-^(丄-力—2丄/^ ,参数<^=/^ +|(丄—pcx'为曲率半径函数PM在x处的一阶数，L' x为函数Lx在x处的一阶导数，Lx在边界x = 0处的值为-^ 。6
7. —种基于权利要求1所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法的误差修正方法，其特征在于包括如下步骤首先，依据试样尺寸建立两个数值模型并赋予试样的材料 参数；然后，分别赋予两个模型初始内应力分布；再后，利用数值方法分别计算出两模型加工成斜楔的底面附加变形曲线；最后，将所述变形曲线减去相应的附加变形曲线得到新变 形曲线，基于所述新变形曲线利用斜楔算法计算出新的应力分布结果。
8. 根据权利要求7所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法的误差修正方法， 其特征在于所述两个数值模型分别代所述长度和宽度方向的试样，尺寸与对应试样一致。
9. 根据权利要求7所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法的误差修正方法， 其特征在于所述两个模型初始内应力分布，将代表毛坯长度方向试样的模型仅赋予毛坯宽 度方向的正应力分布，将代表毛坯宽度方向试样的模型仅赋予毛坯长度方向的正应力分 布；毛坯宽度方向的正应力分布和毛坯长度方向的正应力分布均由斜楔算法计算而得。
10. 根据权利要求7所述的基于斜楔结构的内应力分布快速测量方法的误差修正方 法，其特征在于所述附加变形曲线，含有初始应力的模型在数值仿真中被切割成斜楔时，底 面发生的变形随着斜楔长度方向的变化曲线。
全文摘要
本发明公布了一种基于斜楔结构的内应力分布快速测量及其误差修正方法，属于测量技术领域。该方法通过将毛坯加工成斜楔结构后测量其低面变形曲线，由该变形曲线计算出毛坯的内应力分布。通过数值方法对该方法进行误差修正，可以获得较高测量精度。
文档编号G01L1/24GK101782445SQ20101902610
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者何宁, 史琦, 李亮, 杨吟飞, 赵威, 陈玲玲 申请人:南京航空航天大学