[发明专利]一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法

说明书

本发明提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，包括以下步骤：(1)在材料试验机上进行铝合金材料应力松弛试验以及应力松弛本构参数求解；(2)基于有限元仿真软件，根据步骤(1)求解材料蠕变参数，进行热时效有限元仿真；(3)基于热时效仿真结果，分析模型“胞元”应力状态规律；(4)应用高精相机获各时段铝合金材料热时效实验热变形轮廓值；(5)应用ISIGHT建立以各“胞元”的初始应力为输入参数的优化迭代仿真模型，采用MATLAB检测热时效仿真模型轮廓；(6)以各时段仿真与实测的轮廓误差最小值为优化目标，多次优化迭代，得到作为最终的应力测量结果。本发明利用材料蠕变特性及轮廓法，完成金属材料测量板表面和内部残余应力场的检测。

技术领域

本发明一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，主要是时效温度下金属材料应力松弛试验、蠕变过程数值仿真以及结合热变形轮廓视觉识别技术，实现对测试板件表面和内部应力场的全面检测，涉及工件残余应力测量技术领域。

背景技术

由于成形和热处理过程中非均匀的塑性变形、温度场及金属相变的作用，极易在零件表面或内部产生较大的残余应力。残余应力显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，不良的残余应力场将导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂、加工超差等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。因此，对残余应力进行精准评估和有效地调控，是目前工业制造过程中急需解决的难题。热时效往往是零件毛坯成形的最后一道工序，时效后的应力可以作为切削加工前的毛坯初始应力，对零件毛坯加工前残余应力的精确检测是对零件力学性能评估、加工变形和疲劳寿命预测的重要依据。将热变形视觉识别技术与金属材料蠕变实验及仿真技术相结合，提出一种用于测量零件表面和内部残余应力场的蠕变轮廓方法。

目前零件内部的残余应力尚无法得到有效地、低成本无损地检测，生产制造过程中，只能通过测量零件表面残余应力数据初步评估应力状态。

为了完成对零件表面和内部残余应力场的检测，结合成熟的轮廓法测量残余应力和机械结构件的热变形识别技术，提出了一种零件残余应力创新性的测试方法。

发明内容

1、目的

本发明建立一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试方法，在不影响生产效率的前提下，通过时效温度下的金属材料应力松弛试验、金属零件基于蠕变过程的热时效数值仿真、应用高精度的工业相机实现对金属零件热变形的精确检测以及采用集成优化稳健性设计软件ISIGHT，采用ISIGHT软件内的优化算法反复迭代有限元模型“胞元”内初应力大小，以各时间段仿真与实测的轮廓误差为迭代判断依据，寻找最优值，最终得到待测金属零件初始应力场，实现对零件应力场的全面评估。

2、技术方案

本发明采取了如下的技术方案：

(1)参照《GB/T 10120—2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将金属材料制成标准试样件，采用金属材料时效应力松弛本构模型其中，σ为应力松弛应力，为应力松弛速率，ε₀为总应变，A、n、m为材料参数，E为材料的弹性模量，设置不同应力水平，在材料试验机上进行金属材料应力松弛试验，获得各应力水平下的应力松弛曲线；

(2)基于有限元软件，将几何模型划分为若干个小块作为“胞元”，以“胞元”初始应力场为输入条件，采用典型的蠕变本构模型其中，为蠕变应变速率，σ为应力，ε为应变，C₁、C₂、C₃、C₄为材料的蠕变参数，T为绝对温度值，根据材料应力松弛应变率与蠕变应变率关系式应用蠕变本构模型代替金属材料热时效数值分析过程，在瞬态分析中求解热时效过程中的应力和变形的演变规律；

(3)基于步骤(2)热时效的数值模拟结果，分析得到多组初始应力场下“胞元”的应力状态规律，建立部分“胞元”定量关系；