（机械设计及理论专业论文）屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟.pdf

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的关系图进行线性回归分析，得到用盲孔法 彳f 、 k y 测量屈服状态下的残余应力时，孔边发生塑变后应变释放系数的修正公式。 经塑性修正，修正应力和施加应力之间的偏差均小于7 3 ，较未修正前的 计算应力和施加应力之间的偏差大幅减少。通过建立复杂应力状态下的力 学模型进行验证，可知结合有限元数值计算的基于孔边形状改变比能s 的a 、 男系数修正法简单易行、精度高，适合于实际的工程应用。 3 、采用有限元模拟法详细研究了不同的孔深与孔径比对应变释放系数 a 、b 值的影响。通过分析可知，当某个构件的厚度较厚，可采用盲孔法进 行标定并修正它的应变释放系数a 、b 值，此时所选的孔深与孔径比h d 等 于1 2 5 ，这样所得a 、b 值比较准确。由于有限元运算软件的强大功能，根 据它对盲孔法模型的模拟，可以得到每一个节点的应力、应变值，因此应 变释放系数可以通过应变计中点应变法、应变计中点应力法和平均应变法 三种方法去标定和修正。 关键词：盲孔法屈服状态残余应力应变释放系数塑性交形修正 有限元法 i l 方 n u m e r i c a lsi n n 几a t i o no ft h e b l i n d h o l e m e a s u r e ss t r a i nr e l e a s ef a c t o ro f r e s i d u a l s t r e ssu n d e rt h ey i e l ds t a t u s a b s t r a c t r n11 ln er e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n tf o r m u l a sb a s e do nb l i n d h o l em e t h o da r e d e d v e df r o mf l e x i b l ec o n d i t i o n s t h e r ea r e l a r g er e s i d u a l s t r e s si ns o m e s i g n i f i c a n tc o m p o n e n t i th a sr e a c h e do re x c e e d e dt h ey i e l ds t r e n g t ho s f o r e x a m p l e ，s o m el a r g e s c a l ew e l d e d ，s u c ha sb r i d g e s ，s h i p s ，e t c i nt h ep r o c e s so f u s i n gt h e s ec o m p o n e n t s w h e nt h ed a m a g ea c c i d e n ti so c c u r r e d ，i na d d i t i o nt o t h es t r u c t u r ea n ds t r e n g t ho ft h em a t e r i a li t s e l f , t h em o s ti s d u et oi n t e m a l r e s i d u a ls t r e s s t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo ft h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa n dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o d si nt h er e s i d u a ls t r e s si sv e r ys i g n i f i c a n t i no r d e rt om e a s u r ec o m p o n e n t s r e s i d u a l s t r e s si nt h e y i e l ds t a t u s ， b l i n d h o l er e l e a s i n gm e t h o dm u s tb ea m e n d e dt oe l i m i n a t et h a ta f f e c to fh o l e e d g ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，w h i c hi n f l u e n c e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h i s a r t i c l ep r e s e n t ss e v e r a lp l a s t i c i t yc o r r e c t i o nm e t h o d sf o rh o l ee d g ea f f e c t b y u s i n gc o e f f i c i e n ta , bc o r r e c t i o nm e t h o db a s e do ns p e c i f i ce n e r g ysm o d i f i c a t i o n i i i _ y 0 y 岔 y v a l u eo fe r r o ri sl e s st h a n6 5 6 ，be r r o ro fl e s st h a n0 7 4 s o ，u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o dt oc a l i b r a tt h es t r a i nr e l e a s ef a c t o ri sf e a s i b l e 2 i m p o s i n gg r e a t e rs t r e s st ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l w h e n o 3 4 ，t h e h o l eb e g i n st oy i e l d a tt h i s p o i n t ，l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i st ot h er e l e a s e c o e f f i c i e n ta n ds i tc a ng e tt h em o d i f i e df o r m u l aw h e nt h eh o l ee d g eo c c u l t st h e p l a s t i cd e f o r m a t i o n a f t e ra m e n d e d ，t h ed e v i a t i o nb e t w e e na m e n d e ds t r e s sa n d a p p l i e ds t r e s s i sl e s st h a n 7 3 c o m p a r e dw i t hb e t w e e nt h ep r e r e v i s e d c a l c u l a t i o no fs t r e s sa n dt h ed e v i a t i o nt h ea p p l i e d s t r e s s ，t h ed e v i a t i o ni sr e d u c e d s i g n i f i c a n t l y t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h em e c h a n i c a lm o d e lu n d e rt h ec o m p l e x s t r e s ss t a t et o v e r i f y t h i sm e t h o di sc o m b i n e df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，t h a ti ss i m p l ea n dh a sh i g hp r e c i s i o n t h i sm e t h o di sm o r es u i t a b l e f o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s 3 b ys e l e c t i n gd i f f e r e n tv a l u e so ft h ed e p t ho fb l i n dh o l e s ，f o rad e t a i l e d s t u d yo f t h ed i f f e r e n th o l ed e p t ha n dt h ea p e r t u r er a t i oo f t h es t r a i nr e l e a s ef a c t o r 彳，bv a l u e su s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h r o u g ha n a l y s i sw ec a ns e e ，w h e n ac o m p o n e n to ft h et h i c k n e s si s r e l a t i v e l yt h i c k ，w h e nu s i n gt h eb l i n d h o l e ，；以， m e t h o d st oc a l i b r a t i o na n da m e n di t ss t r a i nr e l e a s ef a c t o ra ，bv a l u e s ，t h eh o l e d e p t ha n dt h es e l e c t e da p e r t u r er a t i oh ds h o u l db ee q u a lt o1 2 5 ，t h ea ，bv a l u e a r em o r ea c c u r a t e a st h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eh a v et h ep o w e ro f c o m p u t i n g a c c o r d i n g t oi t sm o d e ls i m u l a t i o n ，w ec a n g e tt h es t r e s sa n ds t r a i no fe a c hn o d e t h e r e f o r e ，c o e f f i c i e n to fs t r a i nr e l e a s ec a nb eu s e dt h r e ek i n d so fm e t h o d st o c a l i b r a t ea n dc o r r e c t t h e ya r et h es t r a i no fm i d p o i n tm e t h o d ，t h es t r e s so f m i d - p o i n tm e t h o da n dt h ea v e r a g es t r a i nm e t h o d k e yw o r d s ：b l i n d - h o l em e t h o d ；t h e y i e l ds t a t u s ；r e s i d u a ls t r e s s ；c o e f f i c i e n t o fs t r a i nr e l e a s e ；p l a s t i cd e f o r m a t i o nc o r r e c t i o n ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) v 7 ￥ 目录 第一章绪论1 1 1 残余应力的产生与影响l 1 1 1 残余应力产生的原因。l 1 1 2 残余应力的影响2 1 2 残余应力的消除与调整2 1 2 1 用热作用法消除残余应力3 1 2 2 用机械作用调整和消除残余应力3 1 3 残余应力测量技术国内外研究现状及发展趋势4 1 3 1 残余应力测量国内外研究现状4 1 3 2 残余应力测量新技术5 1 4 研究残余应力应变释放系数的意义与目的6 1 5 本论文研究的主要内容7 第二章盲子l 法测量残余应力9 2 1 盲孔法的测量原理9 2 2 盲孔法应变释放系数实验标定1 l 2 2 1 实验所用设备和材料1 1 2 2 2 实验方案和步骤1 2 2 2 3 实验标定结果1 3 2 3 数值模拟应变释放系数标定实验1 4 2 3 1 有限元法的使用情况1 4 2 3 2 有限元生死单元的使用1 6 2 3 3 用有限元法模拟应变释放系数标定实验1 7 2 4 有限元标定与实验标定的比较：2 4 2 4 1 实验标定的不足2 4 2 4 2 有限元标定的可靠性和实用性2 5 v i 2 5 本章小结2 5 1 y 第三章结合有限元数值计算的月，口系数修正法。2 7 3 1 孔边系数修正方法的介绍2 7 3 2 孔边屈服条件和修正公式2 9 3 2 1 孔边屈服条件2 9 ， 3 2 2 应变释放系数的修正。3 3 3 2 3 残余应力修正结果分析3 4 3 3 验证屈服状态下残余应力的修正3 5 3 3 1 焊接残余应力的特性3 5 3 3 2 屈服状态下残余应力修正结果的验证3 6 3 4 本章小结4 2 第四章应变释放系数计算过程和方法的研究。4 3 4 1 彳、b 值与d 的关系4 3 4 1 1 应力值小于1 3 a 时彳、b 值与h d 的关系4 3 _ 4 1 2 应力值大于1 3 a 。时爿、b 值与h d 的关系4 5 y 4 2 彳、占值与计算方法的关系。4 8 4 2 1 应变计中点应变法4 8 4 2 2 应变计中点应力法4 9 4 2 3 平均应变法5 0 4 2 4 三种方法的比较和修正的结果5 2 4 3 本章小结5 5 第五章全文总结与展望5 6 5 1 全文总结5 6 5 2 工作展望5 7 参考文献5 9 致 射6 3 攻读学位期间发表论文情况“ v u ， 鼍 v 符号说明 符号 意义单位或量纲 彳、召应变释放系数懈m p a d钻孔直径、位移i i u i l e 弹性模量l 1 0 6m p a f轴力n 办钻孔深度l 姗 三 长度 n n p载荷k n ， 钻孔半径n u n s形状改变比能 汐 角度 矿 应力m p n 占 应变1 1 0 6 l 土泊松比 广西大学硕士掌位论文屈服状态下盲孔法测t 残余应力应变释放系数的数值模拟 1 1 残余应力的产生与影响 第一章绪论 残余应力是与工作载荷无关、存在于构件内部且保持自平衡的应力。在各种零部件 的加工及制造过程中，每一步都有可能产生残余应力，这些残余应力有的很小，不影响 零件的使用；有的很大，在某些情况下，对整个机器产生严重的影响。残余应力产生的 原因有很多，而它的存在并不直观，因此容易被忽视。很多外表看似很完好、很结实的 构件和设备都有可能因为内部的残余应力的影响而损坏，甚至造成极为严重的后果。为 了避免残余应力给我们的生产和生活带来不利的影响，我们要认识它、了解它，甚至是 去控制和消除它。 摹 1 1 1 残余应力产生的原因 残余应力产生的根本原因是物体内部产生不均匀弹塑性变形。产生不均匀弹塑性变 形主要有三个原因：机械力、热的作用和化学变化。同时，残余应力也可分为内在原因， 由于物体内部组织结构不均匀变化而引起的：外在原因，因外部作用产生的【。 ( 1 ) 不均匀变形 不均匀的变形状态，是不均匀塑性变形产生的条件。内在原因：由于物体内各部分 组织的浓度差或晶粒的位向差，各部分显示的不同的屈服行为而产生的变形；外在原因： 不均匀的作用应力，如弯曲、拉拔和压延等加工形式。 ( 2 ) 热的作用 热应力产生的塑性变形，即当加热、冷却过程中产生热应力时，由于高温下屈服强 度低，在这种应力作用下易于产生塑性变形。内在原因：物体内各部分的弹性模量、热 膨胀系数、导热系数和温度系数等不同：外在原因：由于物体的几何形状不对称、复杂 等因素的存在，使得加热和冷却过程中各部分的热传导状态不同，因而各部分显示出温 度差。 ￥ 屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数i i , 模拟 相变或沉淀析出引起的体积变化，即由于相变或沉淀析出在物体内部产生不均匀的 体积变化时，则产生应力。内在原因：在具有组织结构的浓度差时，则因相变和沉淀析 出等，所引起的体积变化的程度也不同；外在原因：冷却时，各部分冷却速度不同，冷 却不均匀，因而当出现有完全相变终了的部分和相变尚未进行的部分时，两者便显现出 体积变化的差异。 ( 3 ) 化学变化 化学变化产生残余应力这一过程几乎都是e h 夕l 部原因造成的。 如果从加工工程来分析，在一般的各种加工过程中，焊接是比较容易产生残余应力 的加工方法，焊接残余应力是由于焊接部位局部急速加热到高温时的热应力造成的。与 一般的加工过程相比，焊接过程能明显地看出所产生的收缩变形和残余应力，而且它们 是以工件表里为一体而显现出来的。 1 1 2 残余应力的影响 残余应力的存在对构件的强度、变形、结构稳定性、材料硬度、脆性破坏、应力腐 蚀开裂以及疲劳强度等均有影响。 构件在制造过程中，如：铸造、焊接、锻压、热处理和机加工等，都将在构件内部 产生残余应力。在构件的使用过程中，由于构件承受载荷引起的工作应力与其残余应力 相叠加，将导致构件产生二次变形和残余应力的重新分布，从而降低构件的刚性和尺寸 的稳定性。在残余应力、工作介质及工作温度的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆 断能力、抗应力腐蚀开裂及高温蠕变开裂能力等都将大大下降。由于残余应力存在于构 件内部，表现方式不直观，不容易让人察觉到它存在的大小和影响，因此容易引发灾难 性事故。 1 2 残余应力的消除与调整 残余应力有两个特点：一是它是靠自身平衡的内力；二是它是可调整或消除的。在 伴随各种加工制造过程中，残余应力不可避免的在构件内部产生，因此将其消除或加以 松弛，通过再分布加以调整这一工序非常重要。残余应力的消除或调整的基本方法【l 】， 有热作用法和机械作用法两类。 2 屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟 1 2 1 用热作用法消除残余应力 热作用法就是采用一些加热方法，利用高温时材料的强度下降和蠕变现象，使残余 应力松弛。常用的有退火法、回火法。 ( 1 ) 退火是通过加热促使金属在内应力的驱动下蠕变，使残余应力消除或调整的 方法。一般的退火是在一定的温度下作长时间保温，此法虽需要一定的操作费用，但可 把残余应力完全消除。此法也有不利的地方，就是在6 0 0 c 以上对钢制零部件进行退火 时，有脱碳或表面氧化，进而是构件软化等有害缺点。 ( 2 ) 回火处理是通过加热调整组织，使内应力得到松弛或调整的方法。生产中常 使用整体高温回火和局部高温回火。 用热应力法只要温度和时间适宜，应力是可以完全消除的，但是与此同时却会造成 材料硬度和其他机械性能下降。并且因热作用而产生的组织变化也是不可避免的。 1 2 2 用机械作用调整和消除残余应力 机械方法是利用外力使材料内产生塑性变形来达到降低残余应力的目的。目前，常 用的机械方法有：拉伸法、振动法、表面加工调整法。 ( 1 ) 拉伸法是在构件的断面上，仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形，并由 此使应力得到松弛的方法。 ( 2 ) 振动法是把小构件安装到适当的台上并给予振动，对大构件则可直接将振动 设备夹固在适当的支撑构件上进行振动，主要用于消除铸造和焊接构件的残余应力，达 到稳定尺寸的目的。 ( 3 ) 表面加工调整法主要用于进行了拉拔或轧制的棒或板，这些棒或板表面呈现 有显著的拉伸残余应力，为了消除这种应力，可进行挤光加工、表面压延、喷丸处理、 二次拉拔等表面加工，使残余应力得到调整和再分布。 当使用机械方法去消除和调整时，从理论上看，只要外力使性质均匀的构件整体同 时达到屈服，全部消除残余应力是有可能的。但实际操作上，由于有种种困难，用机械 法完全消除残余应力是难以实现的，它往往是把残余应力降低和重新分布作为主要目 的。而机械方法不会使构件强度性能降低，而且不需要炉子之类的热处理设备，与热作 用相比较为经济。 3 屈服状态下盲孔法测- 1 残余应力应变释放系数的数佃l 模拟 1 3 残余应力测量技术国内j , i - 研究现状及发展趋势 1 3 1 残余应力测量国内外研究现状 残余应力的测量技术始于2 0 世纪3 0 年代，发展至今共形成了数十种测量方法【2 1 。 残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。机械释放测量 法的测量原理是将具有残余应力的部分，进行局部的分离或切割，从而使残余应力在局 部范围内得到释放，测定分割前后其应变的变化量，然后运用弹性力学理论求解出残余 应力。它主要包括钻孔法、逐层铣削法、切取或切槽法等，其测量的精度较高，但对构 件的损伤较大。非破坏性方法又称物理测定法，包括x 射线衍射法、磁性法、中子衍射 法、超声波法、电子散斑干涉法等。这种方法不需将材料进行分离或切割，因此对被测 构件无损害，但成本较高。机械释放测量法以测量宏观的残余应力作为主要对象，而非 破坏无损伤测量法既能测量宏观的残余应力，又能测量微观的残余应力。 小孔释放法测量残余应力是由德国学者j m a t h a l d j 于1 9 3 4 年提出的，现已得到广泛 应用，这一方法具有操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点。根据钻孔是否钻 通，小孔释放法可分为通孔法和盲孔法。小孔释放法测量残余应力重要的一点是应变释 放系数彳、曰值的确定，通孔法应变释放系数可由k i r s c h 理论解直接计算出，盲孔法应 变释放系数则需用实验标定。近年来科学家对盲孔法做了大量工作，从测量原理到实际 操作中的各种因素、误差来源等进行了深入研究，目前盲孔法已成为工程上通用的残余 应力测量方法，美国a s t m 协会已将其纳入标准1 4 】。 盲孔法测量残余应力由于其测量方便、操作简单、对构件损伤小、具有一定的精度 等特点，因此是工程中最通用的一种残余应力测定方法。然而，其测量精度受许多因素 的影响，主要因素包括：基本力学模型、钻削产生的附加应变、孔边塑性变形、设备仪 器及操作工艺而带来的误差。操作工艺方面的因素主要包括：孔径和孔深误差、孔位偏 移、应变计粘贴质量及灵敏度误差等。由于释放系数a 、b 通常采用实验测定，实验 测定颇费人力物力。为提高确定释放系数的精度和效率，有研究人员提出了数值计算方 法，即采用有限元软件，通过建立三维有限元模型，数值模拟应变释放系数的测试实验， 取得了不错的效果。 在国外，文献【5 】和 6 】对盲孔测量过程中由钻削附加应变所引起的误差作了详细的 分析讨论。n a w w a r l 7 】用铝合金薄板进行通孔实验，得到了一条误差修正曲线，用来修正 4 屈服状态下盲孔法测4 1 残余应力应变释放系数的数值模拟 孔边塑性应变的影响。b e a n e y 8 】也对塑性影响进行了研究，s c a 阳m a n g a s 【9 】在b e a i l e y 的工 作基础上得到了按照弹性解求解残余应力塑性修正公式。文献 t o l 和 1 1 1 给出了钻孔偏 心或应变计任意布置时的释放应变与残余应力之间的关系式，但是比较复杂。s e h a j e r 采用有限元数值分析的方法【旺l ，对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布情况进行计算， 得出孔径比及孔缘孔底形状对释放应力的影响，并得到与试验结果非常相符的孔周释放 应变与其初始应力之间的关系曲线。 在国内，侯海量等人1 1 3 j 对9 2 1 a 钢进行了深入研究，得出了孔深与孑l 径比对应变释 放系数a 、b 值的影响，并给出了应变释放系数随孔深与孔径比的变化趋势图。贺赞晖 等人【1 4 】研究了应变释放系数与加工硬化程度和孔深的影响，给出了用有限元方法计算释 放系数时，对不同材料及孔的加工方法，分别给出硬化层厚度和硬化程度。裴怡等人1 1 5 】 通过研究孔深与孔径比对应变释放系麴、b 值的影响，给出了孔深为1 2 倍孔径时测量 效果最佳的结论。从他们的研究中可知，有限元数值分析的方法避免了k i r s c l 通孔解所 带来的误差，同时又可省去人工实验所需的大量材料和时间。 在用盲孔法测量残余应力时，确定应变释放系数a 、b 至关重要，它直接影响残 余应力的测量精度。因此目前研究人员主要是致力于如何提高应变释放系数精度的研 究，在这方面取得了一些成果，找到了几种应变释放系数的修正方法。近年有研究人员 提出基于通孔理论的近似计算公式，并且还考虑了当材料进入屈服状态后，孔边由于应 力集中而产生塑性变形，推导出材料基于孔边形状改变比能参量s 的应变释放系数塑性 修正公式【1 6 】。用基于孔边形状改变比能参量s 的应变释放系数塑性修正公式去修正释放 系数彳、召值，可大大提高屈服状态下残余应力的测量精度。 1 3 2 残余应力测量新技术 目前许多科研工作者除了针对原有测量方法所存在的不足进行大量的研究外，还力 求探讨新的残余应力测量方法，如热评估法、硬度法及压痕法等【1 7 1 。 ( 1 ) 热评估残余应力测定法【1 8 , 1 9 1 1 筝j 原理是基于应力引起物体比热发生变化，借助应 力仪分析得到应力一平衡温度曲线。 ( 2 ) 硬度法2 眦2 1 的原理基于应力将改变物体的硬度，在固定载荷下建立残余应力 状态与压痕直径的关系。但是该方法材料的不均匀性和工件表面状态等因素影响大，且 不易建立残余应力与硬度值之间的直接力学模型，误差大。因此在硬度法的基础上发展 屈服状态下盲孔法测量残牙n 缸力应变释放系数的数值模拟 了压痕法。 ( 3 ) 压痕法【2 3 】在上世纪7 0 年代就开始研究和应用，近年来，压痕法又有新的发展。 主要变化就是采用应变计测量压痕周围( 塑性区以外) 的应变来代替用单色光干涉条纹 图样。在工件待测点中心放置轴承钢球，通过冲击或静压的方法施加冲击功w 或静压力 尸，使其在工件面产生一球冠形压痕，由压痕引起的应变变化值( 即应变增量) 与压痕 直径、工件表面残余应力存在一定的关系，利用这种关系可以测出工件表面的残余应力。 压痕法虽应用广泛，但还存在一定的问题：如在压痕附近的塑性区内应变增量分布情况 难以准确测量，塑性区尺寸与压痕直径、残余应力的关系如何确定等。 这些新方法与传统的测量方法不一样，它们对所测构件的损伤小，这些新方法的研 究和使用，为残余应力的测量提供了比较多的选择空间。然而这些新方法的理论分析虽 然已比较完善，但是实验设备和条件是要认真考虑的，同时准确性也是有待提高。 1 4 研究残余应力应变释放系数的意义与目的 残余应力的存在会对构件的强度、刚度、稳定性及抗疲劳等性能产生影响，还会使 结构的形状及尺寸发生改变。残余应力的形成因素很复杂而且形成后难以消除，焊接又 是比较容易产生残余应力的加工方法，在焊接件中往往存在着很大的残余应力，已达到 或超过材料的屈服极限c r s ，特别是对于一些大型的焊接件，如桥梁、船舶、钻井平台等。 这些构件在使用过程中，如发生损坏，将会产生很严重的后果。当它们发生损坏时，除 材料本身的结构和强度等原因外，多数是由于内部残余应力的影响而造成的。因此，对 大型焊接件屈服状态下的残余应力测量技术和计算方法进行研究，意义非常重大。 目前对残余应力测量的方法有很多可选择，在确定金属和金属结构的残余应力时， 针对工件选择最合理的测定方案很重要，主要应考虑：金属性能变化的影响、结构允许 受损伤的程度、现场测试的适应性以及经费和时间等。在这么多的方法当中，盲孔法由 于其方便、准确和成熟等特性，仍是使用最广泛的方法之一。 在根据实际情况选择好测量方法后，可靠性、实用性和精度等问题是主要考虑的。 盲孔法中弹性阶段释放系数的数值计算研究已经比较完善，但是在很多大型船体焊接件 的制造和热处理过程中残余应力的峰值往往到达或超过基体材料的屈服应力1 ，当这些 焊接构件在使用过程中，外载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，使得 它们的刚性和尺寸稳定性等性能降低。而通孔应变释放系数理论是构件在弹性范围内的 6 屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模j r , t 解，对于残余应力比较高，已接近或达到材料的屈服应力以的焊缝及其附近区域，如用 盲孔法去标定应变释放系数，此时加上钻孔后产生的应力集中，在孔周围会产生一定的 塑性应变哺3 ，必须对弹性范围内测得的应变释放系数进行塑性修正啪3 。 在材料的应力较高甚至进入屈服或强化阶段以后，传统的实验方法确定应变释放系 数已经不再适用。因为材料一旦进入塑性，其应力应变关系与加载过程相关，塑性应变 无法恢复，实验方法已经无法测出真实的应变值，只有通过数值方法借助有限元程序来 确定彳、b 值。 本文利用有限元程序建立三维有限元模型，通过模拟盲孔法测量残余应力的实验过 程，探讨一种简单易行的确定盲孔应变释放系数和修正孔边塑性变形的方法。同时在前 人对有限元盲孔法研究的基础上，通过计算分析，发现应变释放系数彳，口值与不同的 孔深与孔径比、孔边应力、应变、平均应变值均有着密切的关系，并对此关系进行了推 导和总结。 1 5 本论文研究的主要内容 本课题研究的是盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟，所选用的研究材料 是低碳合金钢1 6 m n ，根据残余应力的产生原理和特点，对1 6 m n 进行试验分析和有限元 数值计算，找出可行的、最佳的残余应力应变释放系数测定和修正方法，主要研究内容如 下： ( 1 ) 根据钻孔法测量残余应力的基本原理，通过实验测定1 6 m n 试件的应变释放 系数彳，b 值。 ( 2 ) 采用有限元分析软件a n s y s ，建立合理的三维有限元模型，通过单元生死技 术对模型进行开孔，模拟1 6 m n 应变释放系数的测试实验，标定出应变释放系数彳，曰 值。将有限元分析数据与实验数据进行对比，以验证有限元数值模拟的可靠性及实用性。 ( 3 ) 利用有限元对1 6 m n 的模型进行高残余应力下的非线性分析，在施加应力接 近甚至超过1 6 m n 的屈服点应力状态下，结合残余应力基本原理和数值计算结果对彳， b 值进行修正，找到一种简单易行的确定盲孔应变释放系数和修正孔边塑性变形的方法。 ( 4 ) 通过建立复杂应力状态下的力学模型，进一步验证通过数值模拟得到的应变 释放系数修正公式的可靠性。 7 广西大掌硕士掌位论文 屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟 ( 5 ) 很多实验和文献都表明，孔深与孔径比对a ，b 值是有影响的。为了提高测 量的精度，本文针对1 6 m n 这一材料的有限元模型，详细研究了不同的孔深与孔径比对 彳、b 值的影响。 ( 6 ) 对应变计中点应变法、应变计中点应力法和应变计平均应变法进行对比和分 析，证明了残余应力有限元模拟标定及屈服状态下彳、b 值修正方法的准确性和多样性。 8 屈服状态下盲孔法测- i - 残余应力应茭释放系数的数值模拟 第二章盲孔法测量残余应力 小孔释放法测量焊接残余应力由于其准确性和方便性已得到广泛应用，在实际工程 中，由于一般构件的厚度往往比钻孔的深度大得多，为了测量方便并且使构件损伤小， 所以在实际测量中常采用盲孔法测量残余应力。很多实验和文献都证明，当孔的深度达 到孔径的1 1 2 倍后，再增加孔的深度对测点的测量已经几乎没有影响，所以在这个深 度以上的盲孔可以采用通孔的公式进行残余应力的计算。 2 1 盲孔法的测量原理 文献【2 7 】详细阐述了盲孔法测量残余应力的基本原理。下面对这一原理进行简单的 介绍。 若构件内存在弹性应变场和残余应力场，在应力场内钻一个直径d 和深度h 的小盲 孔，该盲孔周围的残余应力即被释放，原有的残余应力失去平衡，这时盲孔周围将产生 一定量的释放应变，其大小与被释放的应力是相对应的，如图2 1 所示。 分布 分布 a 图2 - 1 钻孔后应力释放示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r e s sr e l e a s ea f t e rd r i l l i n g 用应变计测出孔周围的释放应变，即可代入公式计算测点的初始残余应力。由图2 2 9 q = 等一石1 厄习不而 = 等+ 石1 厄哥不i 哥 t一2乞一q一岛an20= = 竺2 竺!竺 毛一毛 ( 2 1 ) 0 - 6 ； 被测材料弹性模量e 顺时针取向为正； ( 2 2 ) 孔径和盲孔中心到应 屈服状态下官孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟 变计近孔端、远孔端距离。 盲孔法应变释放系数由标定试验测定，假设人为地在构件中施加单向应力场( 盯l 可， o - 2 = 0 ) 应变计1 ，3 分别平行于o 1 、0 2 方向，即嗍，则有： ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由l 、3 应变计测得的释放应变8 l 、3 代入上式，即可求出应变释放系数彳、b 值。 2 2 盲孔法应变释放系数实验标定 2 2 1 实验所用设备和材料 实验所用的主要设备和材料有：鞍山市电测技术研究院生产的y d 8 8 便携式超级应 变仪，中国科学院长春科新公司试验仪器研究所生产的w d w 31 0 0 微机控制电子万能试 验机，郑州机械研究所生产的t t l 2 0 1 5 呻1 5 三向( 1 2 0 。) 应变计，见图2 3 所示，以 及温度补偿片、钻孔装置、1 6 m n 试件、电烙铁、丙酮、脱脂棉、镊子、纱布、塑料簿 膜和5 0 2 胶水等。 图2 - 3 三向应变计 f i g 2 3t h r e ed i r e c t i o n so ft h es t r a i n “ m一让一一牾 等等 q 吒 ， l 仃 仃 岛毛 + 一 q q 得 忙k 斫阻p o 式 入 代场力应向单将 广西大学硕士学位论文 屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟 2 2 2 实验方案和步骤 采用均匀的已知单向拉伸应力场测定残余应力计算公式中的释放系数彳和口。试件 材料经退火处理，然后加工到最终尺寸，保证试件内不存在残余应力，见图2 4 。参考 文献 2 8 】设计实验方案和步骤： 图2 4 标定试件 f i g 2 - 4c a l i b r a t i o ns p e c i m e n 8 。0 4 一 n ( 1 ) 在试件轴向位置上取点，用纱布交叉打磨所选点周围的试件表面，用划针轻 划十字线，刻出贴应变计的位置，用脱脂棉球沾丙酮多次擦洗至棉球无污点。 ( 2 ) 在应变计贴面上滴一滴5 0 2 胶液，对准刻线，放置在试件上，在应变计上放 一薄膜，用手指按压1 2 分钟。然后在旁边贴上温度补偿片。 ( 3 ) 用电烙铁将应变计的引出线和导线焊接好，将导线另一端接到应变仪上( 见 图2 5 ) 。 图2 - 5 应变计的粘贴和接线 f i g 2 - 5p a s t es t r a i ng a u g e sa n dw i r i n g 1 2 广西大学硕士学位论文屈服状态下 l l 孔法测量残余置力应变释放系数的数值模拟 ( 4 ) 把试件安装到电子万能试验机上并进行调整，然后对应变仪调零。 ( 5 ) 施加初载= 5 k n ，加载到p = 2 0 k n ，读取各应变值，重复加、卸三次。用 p = 2 0 k n 时读取的应变值减去p o = 5 k n 时的应变值，取平均值得到钻孔前加载应变g l o 和e 3 0 。 ( 6 ) 从电子万能试验机上卸下试件，用钻孔装置钻孔。 ( 7 ) 将钻孔后试件重新装入试验机，对应变仪重新调零，施加初载p o ，加载到p ， 读取各应变值，重复三次，用p = 2 0 k n 时读取的应变值减去p o = 5 k n 时的应变值，取 平均值得钻孔后的加载应变值l l 和3 l ( 见图2 6 ) 。 图2 - 6 实验法标定彳，曰值 f i g 2 _ 6c a l i b r a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a la bv a l u e s ( 8 ) 用开孔后的应变值减去开孔前的应变值，即可求得施加只尸0 ( 相应应力) 后的 释放系数：即 ，鸹l 啊。( 2 - 5 ) 【毛2 岛l 一岛。 把结果代入2 - 4 式，可得到实验标定的彳，b 值。 2 2 3 实验标定结果 根据钻孔法测量残余应力的基本原理，通过实验测定1 6 m n 的应变释放系数a 、b 广西大学硕士掌位论文 屈服状态下