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专利名称：残余应力测试分析的局部热扰动方法
技术领域：
本发明涉及一种残余应力测试分析的局部热扰动方法。
背景技术：
残余应力是自平衡的结构/材料内部相互作用的体现，对残余应力的充分描述是全面评价材料力学性能和结构可靠性的重要前提，也是进行材料/结构合理设计的重要依据。对于制备过程很简单的材料/结构来说，或许能通过现有的理论计算来较准确的预测其残余应力状态；但是对于大多数的材料/结构体系而言，其残余应力特征需要以试验结合理论来进行测试分析。目前主要的残余应力测试原理和技术包括机械释放法和物理测试法。其中机械释放法如钻孔法、塑性变形法等大多具有破坏或半破坏性，这在很多场合是难以适用的。以X 射线衍射法等为代表的物理测试法，主要通过测试残余应力导致的材料微观结构如点阵常数的变化来反演残余应力水平。遗憾的是X射线对环境和操作人员有一定影响，且X射线衍射设备相对比较昂贵、测试过程相对比较复杂，这就使得该方法且目前只能针对有限点作较精确的分析。

发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量精确且不会破坏材料的残余应力测试分析的局部热扰动方法。本发明提供的一种残余应力测试分析的局部热扰动方法包括如下步骤1)对材料的待测局部区域加热至该局部区域产生包含初始残余应力贡献的弹性变形，同时通过红外测温单元测量关键点温度，并通过摄像单元采集所述材料的表面变形过程的图像信息；2)根据所述图像信息通过计算得到热扰动后该局部区域的视应变场ε SH，基于有限元法计算局部加热所形成的温度场T并根据温度场T计算得到热弹性应变场ε ΤΕ ；3)根据ε SH = εΤΕ+Δ ε ΙΝ的公式计算得到残余应力应变场增量Δ ε ΙΝ。优选地，以红外测温结果对有限元计算的热边界条件进行修正。优选地，所述摄像单元为高分辨率CXD相机。优选地，采用激光束、电子束或火焰枪等对所述局部区域进行加热。优选地，所述足够的弹性变形是指弹性模量E的变化量ΔΕ ^ 10%。优选地，所述关键点是指指加热区域中心点、距离中心点分别为2倍、1倍、1/2倍、 1/4倍和1/8倍中心点和边缘连线长度的点。4)根据公式ο ΙΝ = [K] X Δ ε ΙΝ计算出初始残余应力场。本发明通过对待测结构进行局部加热制造局部热扰动，热影响区的材料因温度升高而发生弹性性能变化、导致初始残余应力/应变重新分布；残余应力/应变的重新分布将在结构表面视应变中产生一个增量；通过对视应变的构成进行计算分离初始残余应力的贡献，从而获得初始残余应力的分布。由于本发明采用局部热扰动的方式来检测材料的局部残余应力分布，因此不仅不用破坏材料本身，并且可以得到被测区域的残余应力分布结果， 而通常采用的X射线衍射法通常只能得到若干测点的残余应力结果。此外，本发明通过控制红外测量精度和CCD摄像的分辨率可以使得测量结果更加准确，从而大大提高分析的准确性。


图1为本发明实施示例试样拉伸状态示意图。
具体实施例方式下面结合具体的材料来对本发明的局部热扰动法进行说明。采用试验机弹性拉伸钛合金(Ti6A14V)材料条状平板试样至有效段的应变为 4e_3，然后以激光辐照局部加热试样并保持试样总变形使应力在局部热扰动下发生松弛， 以CXD拍摄表面变形，以红外测温仪测试获得典型测点温度历程，如图1所示。测量的区域是激光光斑覆盖范围，如图1所示。根据材料的热-机械特性可以确定将材料加热到425°C (中心温度，下同)的时候，弹性模量E的变化量ΔΕ可以大于或等于10%，但不能超过500°C度，防止材料发生塑形变形。采用激光束(也可以是电子束或火焰枪等，只要能够产生较高能量密度的能束的仪器或是设备就可以)对图1所示的待测局部区域进行加热至425°c。采用红外测温仪测量该局部区域的关键点的温度，这里的关键点是指加热区域中心点、距离中心点分别为2倍、 1倍、1/2倍、1/4倍和1/8倍中心点和边缘连线长度的点。同时，通过高分辨率CXD摄像机采集该局部区域变形的图像信息并通过相关分析获取表面视变形场uSH，通过计算得到热扰动后该局部区域的视应变场ε SH，其分量形式为
￡ij 二丄O 通过图像信息得到视变形场Ush可以采用已知的计算方法，例如，
SH2 ''JJ·' °
文章[实验力学 22 (2007) 556-567 禾口 International Journal of Impact Engineering 31 0005)329-339公开的计算方法。对于本示例，ε SH ^ 2. 55e_3。通过有限元法求解结构热传导方程、计算温度场T，同时以前述关键点红外测温结果与对应点的有限元计算结果作比较。若二者的差别大于1 %，则修正热边界条件参数并再次求解热传导方程，如此反复、直至二者的差别小于时，可基于该温度场T求解结构热弹性问题的基本方程获得结构变形场Uth，从结构变形场可以直接计算出结构单纯由材料热扰动导致的应变场(含热应变)ε TE，其求解方法可以参考文献王洪纲，热弹性力学概论， 北京清华大学出版社1989.。对于本示例，ε TE 1. 71e_3。然后，由于在给定温度水平，线弹性材料变形和应变满足叠加原理。因此有矢量方程eSH= εΤΕ+Δ ε ΙΝ成立，据此方程可以计算得到残余应力部分释放所导致的应变场增量 Δ ε ΙΝ, Δ ε ΙΝ = ε SH- ε ΤΕ 0. 84e_3。最后，基于线弹性材料本构方程组及其增量形式与结构热扰动前后表层残余应力的平衡方程等，可推导得到在被测区域表层σ IN = [K] X △ ε ΙΝ，其中的系数矩阵[K]的低阶形式为 [K]
权利要求
1.一种残余应力测试分析的局部热扰动方法，包括如下步骤1)对材料的待测局部区域加热至该局部区域产生足够的温升、使被测区域的初始残余应力/应变被扰动而重新分布，同时通过红外测温单元测量关键点温度，并通过摄像单元采集所述材料的表面变形过程的图像信息；2)根据所述图像信息通过计算得到热扰动后该局部区域的视应变场^sh，基于有限元法计算局部加热所形成的温度场T并根据温度场T计算得到热弹性应变场ε ΤΕ ；3)根据εSH = ε ΤΕ+Δ ε IN的公式计算得到残余应力/应变重新分布所导致的应变场增量Δ ε IN ；4)根据公式σIN = [K] X Δ ε IN计算出初始残余应力场。
2.如权利要求1所述的残余应力测试分析的局部热扰动方法，其特征在于，以红外测温结果对热边界条件进行修正以提高温度场计算精度。
3.如权利要求1所述的残余应力测试分析的局部热扰动方法，其特征在于，所述摄像单元为高分辨率CCD相机。
4.如权利要求1所述的残余应力测试分析的局部热扰动方法，其特征在于，采用激光束、电子束或火焰枪对所述局部区域进行加热。
5.如权利要求1所述的残余应力测试分析的局部热扰动方法，其特征在于，所述足够的弹性变形是指弹性模量E的变化量ΔΕ > 10%。
6.如权利要求1所述的残余应力测试分析的局部热扰动方法，其特征在于，所述关键点是指加热区域中心点、距离中心点分别为2倍、1倍、1/2倍、1/4倍和1/8倍中心点和边缘连线长度的点。
全文摘要
本发明公开了一种残余应力测试分析的局部热扰动方法，包括如下步骤1)对材料的待测区域加热至该局部区域产生包含初始残余应力贡献的足够大的弹性变形，同时通过红外测温单元测量关键点温度，并通过摄像单元采集所述材料的表面变形过程的图像信息；2)根据所述图像信息通过计算得到热扰动后该局部区域的视应变场εSH，同时，基于有限元法计算局部加热所形成的温度场并根据温度场T计算得到热弹性应变场εTE；3)根据εSH＝εTE+ΔεIN的公式计算得到对应初始残余应力贡献的应变场增量ΔεIN；4)根据公式ΔεIN＝[K]×εIN计算获得初始残余应力。由于本发明采用局部热扰动的方式来检测材料的局部残余应力分布，因此不仅不用破坏材料本身，并且可以得到被测区域的残余应力分布结果。
文档编号G01L1/00GK102419224SQ20111015305
公开日2012年4月18日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者吴臣武, 陈光南 申请人:中国科学院力学研究所