[发明专利]残余应力符号设计及表示方法

说明书

一、技术领域

本发明提出了一种残余应力的符号设计及表示方法，该方法适用于对金属、陶瓷、复合材料等所有弹塑性材料的宏观残余应力和服役应力的拉伸和压缩状态、数值大小和分布状态进行符号描述和表征，也适用于对原材料制备、机械零部件和建筑结构等的结构设计、制造工艺、组合装配和检验检测过程中应力状态要求的标识。

二、背景技术

残余应力是指去掉外部载荷后留存在材料中的应力，具有大小、方向和位置等三维空间分布特征。残余应力是锻造、轧制、焊接、切削和磨削等机械制造过程中的必然产物，寄存于机械构件表面和内部，且对机械构件的影响一般是有害的。

在残余应力、环境温度及工作介质的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及形状尺寸稳定性都将大大下降。残余应力已成为导致关键机械构件变形、加工区域出现延迟裂纹和开裂、降低构件表面强度、降低抗腐蚀能力、影响制造构件质量和服役可靠性问题的核心根源。不过，在特定情况下，残余应力也是有益的，如通过喷丸或滚压技术在材料表层引入残余压应力，可以增加金属表面和整体结构强度，提高金属构件表面抗腐蚀和耐磨损能力。

因此，残余应力状态是和尺寸公差、形位公差等同等重要的设计和制造要素，而在实际生产过程中，工程师们也会通过优化设计结构和工艺参数，或者采取热时效、滚压、超声调控等方法来降低机械构件中的残余拉应力大小，并预置部分表面压应力，从而达到增强构件抗疲劳特性和使用寿命的目的。

随着国内外工业现代化的不断发展，残余应力对机械构件可靠性和耐久性的影响受到了越来越多的关注，多种残余应力的检测方法和控制工艺也应运而生。不过，目前行业内还缺少一套简单有效的表示方法或符号(类似于公差表示符号)，来形象地描述和标识工业设计和生产过程中残余应力大小及状态等。

文献检索发现，论文：(Song Wentao,Xu Chunguang,etc.Nondestructive Testing and Characterization of Residual Stress Field Using an Ultrasonic Method.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2016,Vol.29(2), pp.365-371.)提到了一种残余应力的超声无损检测方法，利用测量数值来表示残余应力大小和拉压状态，并推导出了应力梯度计算公式；

专利：(徐春广,等.一种残余应力动态分布的超声阵列层析检测和监测方法[P].专利号： CN201610137908.6,2016)公开了一种利用超声阵列层析方法来检测残余应力分布的方法，适用于被测构件中残余应力平均分布测量，能够对被测构件内残余应力平均分布状态和区域位置进行声学图像的重建。

上述两篇文献涉及到了残余应力数值大小、梯度和分布状态等，但并未提出相应的表达符号或者表述这些参量的简便方法，不同技术之间的理解交流困难。本发明重点针对残余应力相关参量的规范化和简明化表达，设计了一套比较完善的图示符号和表示方法，具有简洁、实用、规范和适用性高等特点。

三、发明内容

本发明为了填补行业内残余应力符号和表示方法的空缺，分析和归纳了多个设计和生产中重要的残余应力状态参量，设计了一套简洁、实用、表达准确、方便推广的残余应力表示符号，容易学习、理解和掌握，可用于描述和标识机械构件中残余应力拉伸和压缩状态、数值大小和分布状态等。

本发明中主要的残余应力图示符号及表示方法：

残余应力缩写符号(RS)

用于表征残余应力(Residual Stress)的数学表达符号，数值中的±符号表示材料残余应力的拉伸或压缩状态。

残余应力拉压状态表示符号

用于表示材料表面和内部的零应力状态、一维和二维残余应力拉压状态，具体符号形状定义如下图1、 2所示，其中，L表示为当量长度，材料表面和内部的压缩和拉伸残余应力状态表示示例如表1所示。

表1残余应力状态符号表示示例和相关说明

残余应力梯度表示符号

用于表示残余应力在厚度或纵深方向上的残余应力(或外加应力)变化情况，符号设计参考了梯度的数学表达符号呈倒三角状，具体形状定义如图3所示。

残余应力均匀度的表示符号

用于表示平行于表面或曲面的一定深度上残余应力分布的均匀度，均匀度表示符号定义如图5所示。

残余应力强度分布二维表示方法