[发明专利]一种测量残余应力的钻孔位移法

说明书

本发明公开了一种测量残余应力的钻孔位移法，提出的残余应力计算公式主要包括孔深修正系数、测量点位移、位移传递矩阵；孔深修正系数用于修正Cerruti力学模型与钻孔力学模型之间的差异，通过有限元标定数据拟合求解；测量点位移通过测量点的位移测量值计算；位移传递矩阵，采用Cerruti力学问题的解，通过积分求解孔表面施加原作用力时在测量点产生的位移计算。本发明提出的残余应力计算方法，采用线性参数最小二乘法的矩阵算法，通过多组测量位移数据求解残余应力数值，可信度高，计算过程简单，通用性强。

技术领域

本发明涉及一种测量残余应力的钻孔位移法，属于残余应力测试技术领域。

背景技术

机械零件在加工制造、装配过程中，不可避免地产生残余应力，对零件的强度、刚度、疲劳等机械性能产生严重的影响。钻孔法作为一种常用的残余应力测量方法，能够有效测量机械零件的残余应力数值。我国标准《GB/T 31310-2014金属材料残余应力测定钻孔应变法》给出了计算残余应力的钻孔应变法，即通过应变花测量钻孔过程中的应变值，以及标定的常数矩阵，计算残余应力。该方法需要标定常数矩阵，其缺点在于：采用的常数矩阵与钻孔直径、每层孔深度、材料泊松比、应变花尺寸等参数有关，当一个参数变化时需要对常数矩阵重新标定；常数矩阵采用有限元法仿真计算，矩阵元素多，计算过程复杂；常数矩阵的维度随着钻孔层数的增大而增大，当钻孔层数较多时，常数矩阵维度较大，残余应力计算过程较复杂。

本专利提出了一种测量残余应力的钻孔位移法，采用钻孔测量残余应力时，每去除一层材料导致孔圆周表面原有的作用力释放，即相当于在每层孔的圆周表面施加了原有的结合作用力。当钻孔直径较小、深度较浅时，其力学模型近似为Cerruti力学问题。然后采用Cerruti力学问题的解，推导出钻孔位置处的残余应力与物体表面测量点位移的数学关系，从而根据位移测量值计算残余应力。这种基于Cerruti力学问题解的残余应力计算方法具有较好的力学理论基础，给出了残余应力与测量位移之间的数学表达式，并且包含钻孔直径、每层孔深度、材料泊松比、测量点位置等参数，通用性强，无需繁琐重复的常数矩阵标定工作。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量残余应力的钻孔位移法，根据Cerruti力学问题的解，通过钻孔位置残余应力与测量点位移测量值之间的数学关系求解残余应力，计算过程简单，通用性强，可信度高。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种测量残余应力的钻孔位移法，在钻孔过程中，切除部分与工件基体分离导致孔表面处的结合作用力释放，引起测量点P_N产生位移，其中N为测量点数量，N＝1、2、3、…；根据弹性力学理论，在孔的表面施加原作用力，即切除部分与工件基体间的结合作用力与钻孔应力释放过程是可逆的，据此采用Cerruti力学问题的解，引入孔深修正系数，建立钻孔位置残余应力与测量点位移之间的数学表达式，从而根据测量点P_N的位移测量值计算残余应力。

具体包括以下步骤：

(1)钻孔位置的残余应力表示为其中下标i、j是应力张量的角标符号，二维应力状态为残余应力与测量点P_N位移之间的数学表达式为，

式中，κ为孔深修正系数，为第k层孔处残余应力在测量点P_N产生位移的位移传递矩阵，为测量点P_N的位移，二维状态下为

(2)孔深修正系数κ为孔深z的指数衰减函数，表达式为

κ＝A+Be^(-kz)， (2)

式中A、B、k是常数，通过有限元标定数据拟合得到；