（工程力学专业论文）纤维增强复合材料残余应力测试技术研究.pdf

：“：?l，1：弘+ !，：ti f - 。- 、皇k婶二影?雾t07靠蚺0靛，摘要摘要残余应力的存在对材料、结构的疲劳强度和使用寿命等性能有很大的影响，残余应力的大小、方向和分布随材料的制造、n i 或处理方法不同而有很大的随机性，国内外对残余应力的研究主要采用实验方法。近年来，材料科学的发展，使得复合材料在现代工程中的应用越来越广泛，其中以纤维增强材料应用最广、用量最大。它比重小、强度高和模量大，在航天航空、汽车工业及医学领域等有着不可替代的优势。复合材料是由两种或两种以上不同物质以一定方式组合而成的。虽然具有单一材料不具有的优势，但在加工过程中，各个方向的收缩性能不一致，固化结束后，内部将存在残余应力，导致构件的强度降低、疲劳乃至破坏，造成更大的损失，复合材料的残余应力不容忽视。因此，准确测量复合材料构件残余应力具有重要的工程意义。测量残余应力的方法多种多样，钻孔法、切槽法和移层法等机械测量方法，属于有损测试法，对构件造成一定的破坏，但方法成熟，精度较高；x 射线衍射法、中子法等物理测量方法，虽然无损构件，但只能局限于各向同性的均匀的结晶型材料，且设备昂贵，难以普及。钻孔法发展较成熟，是广泛应用的残余应力的测试方法之一。它操作简单，测量精度高，对构件破坏程度小。本文在钻孑l 法的基础上提出了结合光弹贴片技术来检测复合材料残余应力，并采用计算机图象处理技术，提取孔边的光弹条纹，根据各向异性弹性理论和残余应力释放准则计算出被测点的残余应力。此方法简便易行，准确度高，直观性强，且具有全局性，可有效地测量复合材料残余应力。本文详细阐述光弹性法检测残余应力的测量原理及测量方法，并以增强聚丙烯和碳环氧复合材料为例，实测各向同性材料和正交各向异性材料的残余应力，取得了比较满意的结果，同时采用有限元进行数值模拟，并与实验数据进行对比分析。关键词：残余应力：复合材料；钻孔法；光弹贴片纤维增强复合材料残余应力测试技术研究i i；。，警；i|表。，i，-。ab s t r a c ta bs t r a c tf o rt h ee x is t e n c eo ft h er e s i d u a ls t r e s so fm a t e r i a l s ，s t r u c t u r eo ff a t i g u ei n t e n s i t ya n dl i f ee t ch a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c e t h es i z eo ft h er e s i d u a ls t r e s s ，d i r e c t i o na n dd i s t r i b u t i o nw i t ht h em a n u f a c t u r ep r o c e s s i n go rt r e a t m e n tm e t h o d sv a r i n g ，t h er a n d o m n e s so ft h er e s i d u a ls t r e s sm a i n l ya d o p t se x p e r i m e n tm e t h o di nc o u n t r ya n da b r o a d i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l ss c i e n c e ，m a d eo fc o m p o s i t em a t e r i a l su s e di nm o d e me n g i n e e r i n gm o r ea n dm o r ew i d e l y , o fw h i c ht h em o s tw i d e l yu s e di sf i b e rr e i n f o r c e dm a t e r i a l sw i t ht h em a x i m u ma m o u n t i ti st h ep r o p o r t i o no fs m a l l ，h i g hs t r e n g t ha n dm o d u l u s ，i na e r o s p a c e ，a u t o m o t i v eo rm e d i c a la p p l i c a t i o n sh a si r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e s c o m p o s i t em a t e r i a l si sam a t t e ro ft w oo rm o r ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o ni nd i f f e r e n tw a y s ，a l t h o u g hw i t ht h ea d v a n t a g e so u to fas i n g l em a t e r i a l ，b u ta f t e rp r o c e s s i n g ，t h es h r i n k a g ei na l ld i r e c t i o n si si n c o n s i s t e n t a f t e rc u r i n g ，t h ei n t e r n a lo fc o m p o s i t ew i l le x i s tr e s i d u a ls t r e s s ，r e s u l t i n gi nl o w e rc o m p o n e n to ft h es t r e n g t h ，f a t i g u ea n de v e nd a m a g e ，a n dr e s u l t i n gi ng r e a t e rl o s s e s t h er e s i d u a ls t r e s so fc o m p o s i t es h o u l dn o tb ei g n o r e d t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a t em e a s u r i n gt h er e s i d u a ls t r e s so fc o m p o s i t em a t e r i a lc o m p o n e n th a si m p o r t a n tm e a n i n g i nm e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s s e sw a y s ，d r i l l i n gm e t h o d ，c u t t i n gm e t h o da n dt h et r a n s f e rl a y e rm e t h o db e l o n gt om e c h a n i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h i e s et e s t i n gm e t h o d sa r eh a r m f u l ，c a u s i n gs o m ed a m a g et ot h ec o m p o n e n t s ，b u tt h ew a y si sm a t u r e ，h i g ha c c u r a t e ；xr a yd i f f r a c t i o n ，n e u t r o nd i f f r a c t i o n ，a n do t h e rp h y s i c a lm e a s u r e m e n t ，isn o n - d e s t r u c t i v ec o m p o n e n t s ，b u tt h e s eo n l yl i m i t a t i o n so nt h ec r y s t a l l i z a t i o no fi s o t r o p i ch o m o g e n e o u sm a t e r i a l s ，a n de q u i p m e n tw a se x p e n s i v e ，d i f f i c u l tt os p r e a d d r i l l i n gh o l em e t h o dd e v e l o pt e s t i n gm e t h o d so fr e s i d u a ls t r e s st ob eam a t u r ew a ya n di sw i d e l yu s e dt h a ti ti ss i m p l e ，h i g hp r e c i s i o n ，s m a l l纤维增强复合材料残余应力测试技术研究d a m a g eo nt h ec o m p o n e n t i nt h i sp a p e r , c o m b i n a t i o no fp h o t o e l a s t i cc o a t i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e db a s e do nb l i n dh o l em e t h o dt om e a s u r et h er e s i d u a ls t r e s so fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，u s i n gc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oe x t r a c tt h es t r a i nf r i n g e so ft h eh o l e ，a c c o r d i n gt oa n i s o t r o p i ce l a s t i c i t yt h e o r ya n dt h er e s i d u a ls t r e s sr e l e a s es t a n d a r d ，t h er e s i d u a ls t r e s si nm e a s u r e dp o i n tc a nb ec a l c u l a t e d t h i sm e t h o di ss i m p l ec o n v e n i e n t ，a c c u r a t e ，s t r o n g l yi n t u i t i o n i s t i c ，a n df u l l ，f o rm e a s u r e m e n to ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r eo fs t r a i n ，t h ep a p e rd e t a i lt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dm e a s u r e m e n tm e t h o d s a sr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n ea n dc a r b o n e p o x yc o m p o s i t em a t e r i a le x a m p l e ，a c t u a lm e a s u r e m e n to ft h eis o t r o p i cm a t e r i a la n do r t h o t r o p i cm a t e r i a l st h er e s i d u a ls t r e s sa r ed o n e ，a n da c h i e v e dt oas a t i s f a c t o r yr e s u l t s a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t i o ni sd o n eu s i n gf i n i t ee l e m e n tc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ；c o m p o s i t em a t e r i a l ；h o l ed r i l l i n gm e t h o d ；p h o t o e l a s t i cc o a t ii v目录目录第1 章绪论11 1 残余应力测量方法介绍21 2 国内外研究进展71 3 本课题的提出及研究意义8第2 章理论基础1 12 1 光弹性原理1 12 2 光弹贴片的应力分析1 22 3 光弹贴片法检测各向同性材料残余应力原理1 42 4 光弹贴片法检测正交各向异性材料残余应力原理1 5第3 章实验及数据处理2 13 1 实验方法简介2 13 1 。1 材料力学性能参数的测定j 2 13 1 2 贴片材料的应变条纹值测定2 43 1 3 残余应力测量2 53 2 实验过程。2 73 2 1 实验材料准备及仪器简介- 2 73 2 2 实验操作步骤2 93 3 数字图像处理3 03 4 数值计算结果3 73 4 1 实验材料参数3 73 4 2 残余应力的计算结果3 8第4 章a n s y s 有限元分析。4 14 1a n s y s 简介4 14 2 模型建立与分析4 l结论4 5参考文献4 7致谢5 1硕士期间发表的论文5 3v堑丝塑塑复全塾整垄全窒垄型蔓垫查堑壅一_ _ - - _ - _ _ 一一。v i第1 章绪论第1 章绪论残余应力是当任何工作载倚作用的情况下存在于构件内部且在整个构件内部保持平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力的研究很早就开始了，n e u m a nfe 于1 8 4 1 年就发表了首篇定量研究残余应力的论文。残余应力存在状态是随材料性能、产生条件等的不同而异。从本质上讲，铸造、锻压、焊接、热处理的零件或组件，由于焊接变形或压延变形产生变形应力，过盈装配的组件同样有变形应力。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生不均匀的塑性变形，不均匀的温度变化，不均匀的相变而导致残余应力。在使用过程中，构件承受载荷所引起的工作应力与其内部的残余应力相叠加，将导致构件产生二次变形和残余应力的重新分布。现代工程结构中广泛使用复合材料，复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l s ) 是以一种材料为基体( m a t r i x ) ，另一种材料为增强体( r e i n f o r c e m e n t ) 组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减振耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。在发达国家钢铁需求量逐年下降，而复合材料需求量猛增。由于复合材料由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起，组分之问存在着明显的界面，各组分保持各自固有特性，在成型固化后或者使用过程中，各个方向的收缩性能不一样，因此结构中将存在残余应力。纤维增强复合材料由于增强纤维周围基体固化时，以及叠层中各个层次在不同方向膨胀( 收缩) 系数不等，这种材料也存在残余应力。残余应力是衡量构件质量的重要指标之一，对构件的疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀丌裂及高温蠕变丌裂能力和使用寿命等都有着十分重要的影响，许多结构或机械零件的损坏并非由丁外加载荷所引起，而是由于存在不适当的残余应力造成的。纤维增强复合材料残余应力测试技术研究但是，适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素。例如，材料表面的拉应力能引起疲劳裂纹的形成和扩展；相反，若表面存在压应力，则将能延缓或抑制这种扩展。长期以来，残余应力的研究一直受到学术界和工业界的重视，残余应力影响着复合材料结构的失效强度，残余应力的松驰还影响结构尺寸的稳定性。由此造成的损失其代价是昂贵的，甚至对人身安全存在潜在的威胁，历史上许多灾难性事故都是由此发生的。所以准确测量残余应力非常重要，确定残余应力的大小，调整残余应力的分布，对减少和消除残余应力对工程的危害具有重要的意义。1 1 残余应力测量方法介绍残余应力的测量技术始于2 0 世纪3 0 年代，纵观其发展历程，至今共形成了数十种测量方法。概括起来大致可分为两大类，一类是非破坏性无损伤的物理测量法；另一类是具有一定损伤性的机械释放测量法。无损检测法利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力；有损检测法利用机械加工或其它加工方法将残余应力释放，测量残余应力释放产生的释放应变。物理测量法主要包括：x 射线衍射法( x r d ) 、中子衍射法、磁性法、超声波法、固有应变法，和新近出现的t e r s a 热评估法和弯曲法。机械测量法包括：全释放法的分割全释放法、逐层剥层法，局部释放法的盲孔法( 小孔法) 、裂纹柔度法、g u n e r t 切铣环槽法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法以及释放管孔周应变测量法，及最新出现的硬度法和曲面压痕法。物理方法中用得最多的是x 射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁性法和超声法。下面将无损测量中常用的方法予以简单介绍。1 、x 射线衍射法x 射线法发展最为成熟，特别是2 0 世纪6 0 年代侧倾法的发明以及x 射线衍射技术和设备的迅速发展，使x 射线衍射法已经发展成为研究残余应力的重要手段。x 射线应力测定的基本原理由俄国学者a k c e h o b 于1 9 2 9 年提出，它的基本思路是：一定应力状态引起材料的晶格应变和宏观应变是一致的。品格应变可以通过x 射线衍射技术测出；宏观应变可根据弹性力学求得，因此从测得的品格应变可推知宏观应力。x 射线衍法又可分为两次曝光法，正弦多次曝光法，多点抛物线散斑干涉法。有研究表明，两次曝光法和多点抛物线散斑干涉法，对测定带状板的残余应力较为可靠精确。用x 射线衍射技术来测定材料中的残余应力( 或外载应力与残余应力的代数和)2第1 章绪论图1 1 残余应力的测试方法f i g u r e1 1r e s i d u a ls t r e s st e s t i n g s称为x 射线应力测定。其特点是：属于物理方法，不改变试件的原始应力状态；理论严谨，方法成熟；测定的是表面应力，故对材料的表层状态比较敏感，必须对测试点作恰当的表面处理；根据特点，可以借助于电解抛光等手段测定应力沿层深的分布。但是x 射线衍射法测量残余应力对材料的状态有一定的限制，比如要求晶粒细小并且取向呈统计无规分布状态等，并且给出的残余应力只表征平均应力水平。且测深仅为微米级，易受表面加工层的影响，很难得到更有代表性的体残余应力，如焊接件、铸件等，由于自身测量手段的局限性，应用并不广泛。2 、中予衍射法中子衍射法是一种测量构件内部残余应力的常用方法。通过3纤维增强复合材料残余应力测试技术研究研究衍射束的峰值位置和强度，可获得应力或应变的数据。中子的穿透深度比x 射线大得多，可以用来测量焊接构件沿层深的残余应力。由于材料中参与反射的区域较大，故中子衍射法可测定很大区域内基体中平均残余应力。3 、磁性法磁性应变法是无损测量方法中的一种。当铁磁材料中有残余应力存在时，其磁性会发生变化，人们就利用磁性的这种变化来评定铁磁材料中的残余应力。目前应用的磁性方法有两种：磁噪声法和磁应变法。磁噪声法是铁磁材料在外加交变磁场的作用下，磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化，从而释放出弹性应力一应变波，此现象称为磁噪声，又称为巴克豪森磁噪声( b n ) 。研究表明，b n 信号的大小与材料中的应力和显微组织及缺陷的变化有关，故有人用测量b n 在探测线圈内感应产生的脉冲电压信号的大小来检测材料的应力、显微组织和缺陷。显然在测得b n 信息大小时，还必须把各种因素的影响区别开来。在我国，测残余应力的磁性法用得较多的是磁应变法。其原理是：基于铁磁性材料( 如低碳钢等) 的磁致伸缩效应，铁磁材料在磁场作用下由于晶格的弹性变形，其长度、体积都出现改变，这就是磁致伸缩现象。即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化；反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态( 导磁率和磁感应强度等) 也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。必须指出的是，在用磁性应变法测定残余应力时应注意应力与导磁率在应力 2r ) 的小盲孔，而引起周围应力场发生变化，于是在盲孔附近表面由于释放部分应力而产生相应的位移和应变，按公式即可算出需测部位的残余应力。它操作简单，测量精度高，对构件破坏程度小，目前已成为工程上最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。应该指出的是，此方法不适用于应力场中应力变化梯度较大的情况。盲孔法的测量精度受许多因素的影响，主要包括：基本力学模型、孔边塑性变形、钻削附加应变、操作工艺及设备仪器而带来的误差。操作工艺方面的因素主要包括：孔位偏移、孔径和孔深误差、应变片粘贴质量及灵敏度误差等。由于盲孔法的计算公式是根据通孔的简化力学模型而推导出的，盲孔周围的应力场没有解析解。目前国外有些学者正在研究以彳，q 小颗粒空气流高速冲击试件表面形成小盲孔的气流磨蚀法( a i r - a b r a s i v e ) 。该方法可以使切削附加应变控制在1 0 “范围内，基本消除了钻削盲孔过程所带来的误差，使测量结果无需修正而得到较高的精度。而且该方法还可根据喷嘴形状及其旋转角度精确控制盲孔形状尺寸，受到越来越多的重视。但是，盲孔法并不是万能的方法，一方面它不适用薄壁压力容器、重要军工产品和缺口敏感的高强钢制品等工件的残余应力测量；另一方面，它操作工序复杂、技术难度高、数值计算难，而且费用昂贵，耗时费力，因而不能在生产中普及。2 、逐层铣削法逐层铣削法是采用铣、研磨抛光、腐蚀、电解腐蚀或电火花5纤维增强复合材料残余应力测试技术研究剥蚀等对已磨削表面进行剥层，使表面残余应力释放，引起试件产生变形，由此变形量的大小，再根据弹性理论可以推算出被削层内的应力。这种方法的优点是可以测定厚度上梯度较大的内应力。剥层应变法通过切削或腐蚀使材料内部逐层露出，以测量各层的残余应力。不过这时所测得的残余应力并不等于剥层以前该处的应力，需要通过弹性理论计算加以修正。剥层法可采用腐蚀剥层法和研磨抛光法，两种方法都可以利用应变片来测量残余应力。其具体方法是：将应变片粘接在薄板试件磨削平面的背面，对已磨削平面进行剥层，使表面残余应力释放引起试件产生应变，此应变经应变片接收由应变仪放大进行测量，再根据弹性理论求出残余应力。腐蚀剥层法是属于连续测试法，测试的残余应力数值比x 射线衍射法测试值初期偏高，随着表面下深度的增加，偏差值减少，这是由于x 射线具有一定透射深度的缘故。但腐蚀法测试时间长、腐蚀液对设备和环境会造成一定的污染，故只适于单件或小批量零件的测试。抛光剥层法属于问断测试法，具有一定的精度，与腐蚀法相比，抛光法更简便实用，测试周期短，是一种有效的测试方法。但是抛光法必须要克服应变信号的零漂和抖动问题，在微去除量研磨剥层时，要避免产生附加应力，应变信号灵敏度稳定性受试件尺寸的限制，其中试件厚度和长度比影响最大。3 、硬度法硬度法是基于应力将改变物体硬度的原理而形成的，它是在固定载荷下建立残余应力状态与压痕直径关系。试样表面硬度与其表面残余应力间存在反比关系。即当试样表面存在拉应力时，其硬度值将降低而存在压应力时，硬度将升高，由此产生了用试样表面压痕直径测量其残余应力的硬度法，可以利用该现象来测量金属表面的残余应力。硬度残余应力测量法破坏性小，测量迅速、方便，但其测量精度很大程度上依赖于压痕直径的测量，而且该法没有包括塑性变形历史对硬度的影响因素，材料的不均匀性、工件的表面状态等都将对测量结果造成很大影响。该方法在理论上也缺乏严密性的科学性，难以建立直接的力学数学模型。因此，近年来在硬度法的基础上又发展了压痕法。4 、压痕法压痕残余应力测试方法是在被测表面通过冲击或静压的方法施加一定的冲击功或静压力，产生一定的附加应力场。该附加应力场将与初始残余应力场发生作用，在塑性区将发生塑性变形，并形成一球冠形压痕，在弹性区将发生应力叠加，产生一定的应变。弹性区的应变与初始残余应力场密切相关，通过测量压6第1 章绪论痕周围弹性形变区的应变，就可以推测该点原来的残余应力状态。压痕法便于根据弹塑性理论建立模型进行理论分析。该方法只在工件表面产生很小的球冠形压痕，对工件的破坏小，而且测量过程方便、迅速。同时它标距小，能应用于应力梯度很大的场合下的应力测量，在工程应用方面有很大前景。现代测试技术，尤其是微量传感器和驱动器的迅速发展使得压痕技术得以应用到厚度仅为微米甚至纳米范围的薄层材料，从而发展成纳米压痕法。由于构件中残余应力的不良影响，人们对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作，一方面通过改善加工工艺参数，尽量减小残余应力，另一方面提出一些消除残余应力的措施：1 ) 局部低温势处理；2 ) 磁振动消除残余应力技术。振动消除残余应力就是用振动处理的方法来代替热时效和自然时效，具有投资少、生产周期短、节约能源、降低成本、使用方便、效果显著等特点。对于焊接残余应力越高，振动时效处理降低应力越多，均化效果越好；3 ) 爆炸法消除残余应力。1 2 国内外研究进展残余应力的测量，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。由于各向同性材料在不同方向上的物理及力学性能一致，研究较早，到目前为止，已形成较成熟的理论分析和实验研究方法，而各向异性材料由于其物理力学性能的复杂性，研究难度大，发展比较缓慢。b e r t 等首先将小孔法推广应用于正交各向异性材料残余应力测副2 】；p r a ：s a d 等对小孔法进行了理论分析和实验标定1 3 】，由于他们使用的试件材料接近各向同性性质，得出了似乎可信的结论；s c h a j e r 等在文献 4 中指出，简单的将小孔法加以推广是不正确的，并用数值计算方法证明其结论。这是由于受均匀应力作用的带圆孔无限宽正交各向异性板孔周围位移场不同于各向同性材料孔周围位移场。国内戴福隆等人用云纹干涉法测量了铝合金激光焊接接头的残余应力1 ，阐述了云纹干涉法与钻孔法测量残余应力的实验方法与系统；张熹等人用散斑干涉法测量了锚合金试件( 2 0 2 4 一t 4 ) 的残余应力1 2 引；朱甫金、陶宝祺在文献 6 中分析了小孔法对f 交各向异性材料残余应力的测试原理及释放应变系数矩阵的求解；金香花等人提出用钻孔法和光栅应变花测试复合材料残余应力；常红等人采用相移云纹干涉7纤维增强复合材料残余虑力测试技术研究法与盲孔法相结合测量纤维增强复合材料的残余应力。从国内外对残余应力的研究中，可以看出大多数都着重于实验研究。材料残余应力准确、快速的测量技术对残余应力的利用或防治具有非常重要的意义。值得提及的是，残余应力的研究与造船工业，特别是舰船的焊接工艺研究密切相关。残余应力可引起有害的滑移或断裂，形似外加载荷。其研究同渐获得人们的重视，在欧洲已定期召开关于残余应力的国际会议，英国发生多起火车事故后，u m i s t 、s a l f o r d及m a n c h e s t e r 等大学在有关当局资助下已合作研究残余应力对钢轨疲劳强度的影响，其中部分实验更是与法国的一些科研机构共同进行的。在亚洲，日本也有不少关于残余应力的研究在进行。在我国，最近也出版了一些关于残余应力的书籍，从已发表的文献数量及我国人员参与国际会议的情况来看，我国对残余应力的研究仍然偏少，但重视程度已日益增加。随着我国工业高速发展，由残余应力引起的问题将更为突出，而表面工程等技术的研究在国内也是方兴未艾，准确的残余应力测量对它们来说是十分关键的。可以预计，残余应力测量及研究在促进我国工业现代化上是大有作为的。1 3 本课题的提出及研究意义由于复合材料各方向的收缩性能不一致，固化过程结束后，结构中将存在残余应力。纤维增强复合材料由于增强纤维周围基体固化时，以及叠层中各个层次在不同方向膨胀( 收缩) 程度不尽相同，也存在残余应力。残余应力的存在将影响复合材料结构的失效强度，残余应力的松驰还影响结构尺寸的稳定性。因此，准确测量复合材料结构的残余应力有助于正确计算结构强度，为分析工艺参数对材料性能影响提供辅助手段。钻孔法电阻应变测量残余应力的方法在目前已得到较为广泛的应用，但应变片只能得到其长度范围内的平均应变，误差比较大。它对测量操作也有很高的精度要求，而且标定测量常数、孔位误差修正、对未知主方向的残余应力测量都很繁杂。此外在孔边缘有钻孔机加工生产的塑变量和钻孔造成应力集中产生的塑变量也都不易掌握和修正，相对来说费用也较高。残余应力测量方法除应变片电测技术、超声波、x 射线等方法外，光学检测方法也逐渐应用于残余应力测量。戴福隆等人在使用云纹干涉法时，提出将云纹干涉测量的位移信息代替应变片测量的应变信息来确定残余应力，并用有限元建立位移与残余应力之间的关系。金香花等人在云纹干涉技术所使用的i f 交光栅的基础上，提8第1 章绪论出了在原来o 。、9 0 。两个方向光栅上加上一个4 5 。方向的光栅，一次加载可同时测试出三个独立的位移场：u 场、i ，场、s 场，通过三个位移场得到相应的三个应变：s o 、s 9 0 、9 4 5 ，计算出相应的应力。常红等人使用相移云纹干涉方法结合盲孔法，得到孔边任意一点的位移信息，由于正交各向异性复合材料在弹性主方向不发生拉剪( 或剪拉) 耦合效应，所以通过适当读取孔边特殊点的位移，也可获得残余应力值。虽然云纹干涉法应用在残余应力的测试当中可取得较好的效果，但是，其实验光路很难调节，对实验条件要求也较高，尤其是抗震性要求极为高。为了探求一种能够进行现场测试，并且便于掌握推广的测量方法，本文在钻孔法电阻应变测量的基础上，提出将贴片光弹与钻孔法结合检测残余应力方法，测量仪器不需要和传感器连接，是一种非接触式的实验方法。用光弹贴片代替电阻应变片，消除由孔位偏差造成的误差，而且由于光弹条纹取点距离孔边缘较远，所以受孔边塑性变形的影响较小，同时得到的是一个全场的等差线条纹图，利用文中给出的实用公式就可以得到测点的残余应力。本课题采用光弹性贴片技术，结合钻；l ；l 法这一释放残余应力的技术，检测纤维增强复合材料的残余应力。把具有光学双折射效应的材料薄片( 本文所用材料为聚碳酸酯) 作为传感器贴在测点表面，为提高贴片的反射效率，在聚碳酸酯贴片的单侧表面镀金属铝膜。将复合材料板连同贴片一起钻孔，使构件内部的残余应力得到释放，其变形也传到贴片上。放置在反射光弹仪下，可得到一系列彩色的等差线条纹，旋转检偏镜，等差线条纹发生变化，由此可读取小数级条纹，配合计算机图象采集处理技术，根据各向异性弹性理论和d , s l 释放应力一应变矩阵计算出复合材料被测点的残余应力。实验表明，光弹贴片法可有效地分析复合材料残余应力问题，此法简便易行，直观性强、且准确度较高。文中采用此实验方法，分别测量了两种不同材料的残余应力，并比较了各向同性材料与各向异性材料残余应力测量方法的不同之处，给出了测量数据与计算处理结果。9纤维增强复合材料残余应力测试技术研究1 0第2 章理论基础2 1 光弹性原理第2 章理论基础光弹性实验是一种光学的应力测量方法，是材料力学实验的重要组成部分。因为测量是全域性的，所以具有很强的直观性，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值，尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。用具有双折射性能的透明材料( 如环氧树脂塑料或聚碳酸脂塑料) 制成与实际构件相似的模型，并将它放在起偏镜和检偏镜之间的平面偏振光场中( 见图2 1 ) 。当模型不受力时，偏振光通过模型并无变化。如模型受力，且其某一单元的主应力为仃，和呸，则偏振光通过这一单元时，又将沿q 和吒的方向分解成互相垂直，传播速度不同的两束偏振光，这种现象称为双折射。由于两束偏振光在模型中的传播速度并不相同，穿过模型后它们之间产生一个光程差。实验结果表明，与该单元主应力差慨一0 2 ，和模型厚度h 成正比，即= c h ( a l 一0 - 2 )( 2 1 )式中，比例常数c 与光波波长和模型材料的光学性质有关，称为材料的光学常数。公式( 2 1 ) 称为平面光弹性实验的平面应力一光学定律。光弹性法的实质，是利用光弹性仪测定光程差的大小，然后根据应力一光学定律确定主应力差。图2 1 受力模型在平面偏振光场中f i g u r e2 1t h em e c h a n i c a lm o d e lo ff i e l di np l a n ep o l a r i z e dl i g h t平面光弹性实验法有一种可对构件进行实测的光弹性贴片法。光弹贴片法也称光贴片技术，是把透射模型光弹性法，扩展钊测号小透明结构表而应变场分布的一纤维增强复合材料残余应力测试技术研究种方法。光贴片技术是实验力学的一个组成部分，该技术具有实测应力场或应变场的作用而备受青睐。它是力学、光学、新材料、计算机、图像处理等相结合的一项面向工程实际的不断发展的新技术，交叉性、渗透性十分明显。早在1 9 3 0 年，法国人梅斯纳吉尔( m e s n a g e r ) 就提出在试件( 或实物) 的表面上涂一层具有光学双折射效应材料，在偏振光的照射下，通过反射可以观察到光弹性应力干涉条纹，称之为光涂层法。此后，不少学者研究了这一问题，在如何制作、如何粘贴、及如何测量等方面做了不少工作，一直到1 9 6 3 年，法国人赞德曼( z z a n d m a n ) 把这一方法正式用到生产中去，称之为光贴片法( p h o t oc o a t i n gm e t h o d ) 。光贴片技术在机械工业、核工业中有重要的工程应用价值，在美国的a s m e 规范及法国的r c c m 压水堆核岛机械设备设计和建造规则中，均提到这方面的要求，建议用光弹性方法作试验。光弹贴片法是将具有高应变灵敏度的光学双折射效应材料制成的薄片作为传感器( 即贴片) ，用高强度的胶合剂粘贴在预先抛光的具有良好反射性能的构件表面，放置在光贴片法专用的反射式光弹仪下，当构件受力变形后，贴片随构件表面一起变形，并产生反映构件表面应变的光学效应，在偏振光下出现干涉条纹。此种方法不仅能像透射式光弹性法一样，得到整个应力场的分布状况和准确的测定应力集中现象，而且可以像电阻应变测量方法一样，在现场测量实物的表面应变，不但可测取结构表面的弹性应变，还可测取结构表面的塑性应变，常用来进行残余应力的分析、弹塑性应力分析，以及动荷应力，热应力和疲劳裂缝扩展的研究。2 2 光弹贴片的应力分析用光贴片法测定结构表面应力，是通过紧贴在结构表面上的光敏贴片，在偏振光照射下产生的双折射效应进行分析来实现的。光弹性贴片牢固粘贴在构件表面，在载荷作用下，假定构件表面的应变完全传递给贴片，因此贴片中各点的应变与构件表面相应点的应变相等，即有s ：= s ：；= ；其中，附标c 一表示贴片，s 一表示构件表面。此外，构件表面处于平面应力状态，贴片较薄，所以垂直于表面方向的应力均为零，即12第2 章理论基础o - ；= 仃：= 0根据应力与应变之间的关系，在贴片中有：- - 0 2 ) c2 焘p tq ：) c其中，e c 一贴片材料的弹性模量；从一贴片材料的泊松比。利用光测原理公式( 2 1 ) ，在反射式偏光系统中有：( 2 2 )c h ( o l 一仃2 ) 。= n 3 ,令厶= 昙，并考虑到光线通过贴片两次，所以有：( q o - 2 ) 。= 辜( 2 3 )二h c其中，厶一为贴片材料的应力条纹值；玎等差线级数；吃_ 为贴片厚度，将( 2 2 ) 式代入( 2 3 ) 式，并注意到有( 毛一s 2 ) 。= ( q s 2 ) 。，则得到：去( ：卜而e c 飞卜要。，整理可得，( e 1 - - 8 2 卜象( 2 4 )其中以：罢兰力称为贴片材料的应变条纹值，再根据构件表面的应力应变关系，j 2 , o可求得构件表面的主应力差值：( o 1 - - 吼= 去c s 1 - 6 2 卜者惫汜5 ，式中，e ，以材料的弹性模量和泊松比；e 。，a 。一贴片的弹性模量和泊松比，式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 分别表示构件表面主应变差和主应力差与等差线条纹级数甩之间的关系。由此可知，通过反射式偏光系统测得贴片内的等差线条纹级数刀，就可由式( 2 4 ) 或式( 2 5 ) 计算得到构件表面的主应变差或主应力差。1 3纤维增强复合材料残余应力测试技术研究2 3 光弹贴片法检测各向同性材料残余应力原理各向同性材料由于材料沿各方向的力学性质相同，因此理论研究比较简单。本文对小孔法结合光弹贴片技术检测各向同性材料残余应力原理进行如下阐述：在存有残余应力的构件上测点处粘贴光弹性贴片，然后在测点处钻孔，连同贴片一起钻透，使构件内部的残余应力得到部分释放，再根据贴片在释放应力应变作用下产生的等差线图形即可推出原有残余应力的大小和方向。如图2 2 所示，设各向同性板内存有均匀的残余应力0 - 1 、仃，为平面应力状态，取x 、y 轴分别沿材料主方向。在粘有光弹贴片试件上钻半径为r 的小孔，连同贴片一起钻透，使构件内部的残余应力得到部分释放，使得距孔中心半径为r 处的a 点上原始切向应力、径向应力盯，、剪切应力变为仃；、仃：、f 二。设由钻孔造成的释放应力为仃：、盯：、z o r 。则打孔后的残余应力为：侄吒图2 2 带孔无限宽各向同性板受均匀应力f i g u r e2 2i n f i n t ei s o t r o p i cp l a t ew i t hah o l eu n d e ru n i f o r ms t r e s s原始残余应力的极坐标表示为：1 46互f 口r吼q+pp咖办研=i i=第2 章理论基础旷半一半c o s 2 缈铲半+ 半c o s 2 缈( 2 7 )铲一孚s i n 2 ( o由弹性力学解可知，带小孔平板在均匀平面应力的作用下在a 点处应力状态为：小半c + 寺一半c + 等徊s 2 伊班半c t 一寺+ 半c + 等一等灿s 2 缈亿8 ，一半c 辱一如物将( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式代入( 2 6 ) 式可得：咖盯；=孚立(旷可r4-cr02c o s2 缈仃口= 盯p= l 乏广一一l 仃l 一仃2 j 页了c o s z 缈咖”：一孚+扣电，(可3r4一可4r20r-or) c o s 2 缈仃r = 一l 互r + j l 仃j 一矿2 j l 了f 一1 f ，c o s z 缈。铲一下c r t - - 0 2 ( 等e r 4 4 ) s i n 2 o。f 毋一珞2 一下可( 2 9 ) 式反应了释放应力与原始残余主应力之间的关系，由材料力学可知：斗一o x + c r y io x - - o - y ) 22弦将仃，盯y ，f 叫换成盯：，盯；，f ，把( 2 8 ) 、( 2 9 ) 式代入( 2 1 0 ) 式得：e 对；一( 1 + 熊) 2 玩( 2 1 1 )( 2 1 1 ) 式即为材料主应力与条纹级数的关系，在小孔周围的条纹级数珂上任耳x - - a ，将材料参数及点的位置代入上式，即可得知测点处的残余应力及主应力的方向。2 4 光弹贴片法检测正交各向异性材料残余应力原理正交各向异性是指材料在不同方向t 具有不同物理性能和力学性能，由于各个方向的力学性质不一样，所以研究较为复杂，但各向异性材料同样也满足光弹应力定律。由( 2 4 ) 式町知，在光弹贴片法中，构件测点处条纹级数甩与主应变差有如1 气纤维增强复合材料残余应力测试技术研究下关系：旷占：= 甏若主应变q ，g z 以测点的应变分量占- ，占y ，表达，则代入上式可得：( 等 2 = ( 旷9 2 嘶，亿啪对于正交各向异性板，当x 、y 轴与材料主方向重合时，应力应变关系式变为：式中，且有a l ia 1 2= iq 2嘭2l00lc s 槲汜占，占，一主向应变；仃。，仃，f ，一主向应力； 跚一柔度矩阵；1u ，u ，l11q 一2 一e l ，a 1 2 一一e l 一酋a 2 22i a 6 62 瓦；e 。，e ：一复合材料主方向的弹性模量；g ”一剪切弹性模量；q 2 ，d 2 l 一泊松比。吗图2 3 无限宽正交各向异性材料板受均匀应力f i 9 2 3i n f i n t eo r t h o t r o p i cp l a t ew i t hah o l eu n d e ru n i f o r ms t r e s s1 6吒q 吖k儿oo第2 章理论基础如2 3 图所示，设复合材料板为平面应力状态，材料为宏观均质线弹性材料。设材料主方向1 、2 分别沿x 、y 轴，小孔半径为r 。由正交各向异性板圆孔应力场理论分析可知，当板受x 方向均匀应力q 时，孔周围任意一点应力场为“0 1 ：叽= e 【4 _ ，+ b i 0 2 qc o s 2 f l j + t ) z ，】j = l ，2o y = ( 可1 ) + 蜀2 qc o s 2 f l j + s j ) z j ( 2 1 5 )f 秒= b 1 9 2 玑s i n 2 f l j z j式中，= 器，= 淼胪啦扣2 d6j = 两p s - 1 ，zj = e + 6 j + 2 6 j e 2 a jc o s 2 p jl j = 、只= 痧硒+ 厕，最= 办硒一丽厂= 丽，g = 可可g 1 2 - 2 ( 1 + 瓜)口、房由坐标( x ，y ) 通过下式来确定，在孔边缘由口。= 口：= 0 、届= 屐给出，x=：r(chotj门+pj+shaj)scos那,bjyr ( s h ac h af( 川，2 )( 2 1 6 )【=0 +) s i n 岛”一由文献 1 0 中给出的应力函数可以推导出板受到沿y 方向作用均匀应力盯：时，孔周围任意一点应力场与表达式( 2 1 5 ) 相同，但积分常数为：h = 研p 心c r 2 = 搦俨1 ，2 扣2 ，1 )同样，沿x y 面内作用均匀剪力“的应力场为：吒= e b ，p 2 qs i