專利名稱：基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的亞表面損傷檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)超精密加工領(lǐng)域中一種進(jìn)行零件非破壞性亞表面質(zhì)量檢測(cè)的方法，特別涉及一種基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)零件加工成形(如相機(jī)鏡頭、透鏡、望遠(yuǎn)鏡和反射鏡)一般會(huì)經(jīng)過研磨、拋光等傳統(tǒng)加工工序。然而，在研磨光學(xué)玻璃過程中，磨粒可以看成是一個(gè)個(gè)大小不同、分布不均的壓頭。根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)模型，壓頭對(duì)光學(xué)材料表面施加一定的壓力，所以，在壓頭與光學(xué)材料的相互作用中，壓頭正下方的光學(xué)材料會(huì)產(chǎn)生非彈性變形區(qū)(塑性變形區(qū))。當(dāng)壓力載荷繼續(xù)增大，磨粒壓頭切入光學(xué)材料的深度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致材料內(nèi)部非彈性區(qū)不斷擴(kuò)大，并且在亞表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)加載產(chǎn)生的應(yīng)力值超過材料本身極限應(yīng)力時(shí)，光學(xué)材料內(nèi)部逐漸發(fā)展產(chǎn)生中央/徑向裂紋?，F(xiàn)有亞表面損傷研究理論與結(jié)果表明，在光學(xué)材料加工過程中不斷出現(xiàn)的中央裂紋/徑向裂紋是形成亞表面損傷層的主要原因。都無法避免在光學(xué)亞表面產(chǎn)生不同程度的亞表面損傷，常表現(xiàn)為被掩埋在重沉積層下的裂紋、孔洞等亞表面缺陷。在高精密光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域(如高分辨率空間相機(jī)鏡頭和高功率固體激光裝置等)對(duì)光學(xué)元件中的亞表面損傷層提出了要求，并嚴(yán)格限制光學(xué)亞表面損傷層深度。因此，需要對(duì)光學(xué)元器件加工中產(chǎn)生的亞表面損傷層深度進(jìn)行探測(cè)，并減少亞表面損傷層深度，達(dá)到所需光學(xué)零件的使用要求。亞表面損傷層檢測(cè)方法可以劃分為破壞式檢測(cè)方法和非破壞式檢測(cè)方法。破壞式檢測(cè)方法有(1) HF酸化學(xué)腐蝕法是通過HF酸與玻璃組成化合物SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷擴(kuò)大和顯露出光學(xué)材料的亞表面層損傷，然后通過高能顯微鏡檢測(cè)的裂紋和缺陷；(2)角度拋光法測(cè)量亞表面損傷由于分辨率高、操作簡(jiǎn)便，美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)已經(jīng)在1998年將角度拋光法標(biāo)準(zhǔn)化；C3)實(shí)驗(yàn)證明球磨技術(shù)能用于描述光學(xué)玻璃亞表面損傷。其基本方法為用高精度鋼球?qū)α慵砻鎾伖?，通過測(cè)量暴露的亞表面損傷特征確定亞表面損傷層深度。破壞式檢測(cè)方法一般具有較高的檢測(cè)精度，但破壞式方法具有一定的經(jīng)驗(yàn)性、檢測(cè)時(shí)間過長、并且對(duì)零件表面材料進(jìn)行破壞等一些缺點(diǎn)。發(fā)展較為成熟的非破壞式檢測(cè)方法有 (1)光熱顯微法機(jī)理是在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)強(qiáng)聚焦光束將熱量傳遞到樣品中，通過吸收與隨后去激松馳釋放的熱量可能分布在樣品的大部分區(qū)域或者局限在不傳熱實(shí)體表面小區(qū)域范圍內(nèi)。因此，實(shí)驗(yàn)分辨率能夠達(dá)到檢測(cè)要求。O)X射線衍射法是檢測(cè)材料殘余應(yīng)力常用方法。 X射線衍射檢測(cè)方法機(jī)理當(dāng)X射線以一定角度照射到材料(硅片)表面會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象， 根據(jù)不同間距衍射條紋位置的不同，通過對(duì)比在有無殘余應(yīng)力時(shí)的晶格間距的變化值，再結(jié)合結(jié)晶學(xué)理論計(jì)算出殘余應(yīng)力大小。光熱顯微法和X射線衍射法克服了破壞性檢測(cè)的一些缺點(diǎn)，但存在成本高、精度不高等缺點(diǎn)。因此，有必要研究出新的快捷、準(zhǔn)確、成本低的非破壞性檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服目前所采用破壞性檢測(cè)方法和非破壞性檢測(cè)方法的不足，提供一種易于實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作容易、周期短、成本低的檢測(cè)方法。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，其特征在于，包括下述步驟(1)固定被測(cè)光學(xué)零件且保證零件四周沒有影響熱傳導(dǎo)的較大障礙物，在零件上表面設(shè)置第一加熱恒溫源Tl，下表面設(shè)置第二加熱恒溫源T2，T2 > Tl，直至上、下表面加熱恒溫源Tl、T2熱傳遞到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。(2)用高分辨率掃描熱探針探測(cè)被測(cè)光學(xué)零件上表面D區(qū)域中上方溫度場(chǎng)的分布，得出實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分布曲線；(3)用有限元分析軟件建立被測(cè)光學(xué)零件的三維模型，設(shè)置與步驟(1)相同的溫度環(huán)境，且設(shè)定被測(cè)光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域存在h的亞表面損傷裂紋深度，模擬計(jì)算被測(cè)光學(xué)零件三維模型溫度場(chǎng)的變化，得到仿真的溫度場(chǎng)分布曲線；(4)比較步驟(2)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分布曲線與步驟(3)模擬仿真的溫度場(chǎng)分布曲線得到一個(gè)溫度場(chǎng)比較曲線，計(jì)算兩條曲線在橫坐標(biāo)-20mm-0. OOmm范圍內(nèi)的相對(duì)誤差，當(dāng)相對(duì)誤差滿足誤差范圍時(shí)說明假定的亞表面損傷裂紋深度h合理，由此可判定被測(cè)光學(xué)零件表面D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度為h = h2-hl，其中h2為亞表面損傷裂紋下端距被測(cè)光學(xué)零件上表面的距離，hi為亞表面損傷裂紋上端距被測(cè)光學(xué)零件上表面的距離；(5)當(dāng)步驟中計(jì)算相對(duì)誤差大于誤差范圍，則返回到步驟(3)，重新設(shè)置被測(cè)光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度h’，再按照步驟(4)計(jì)算出兩條曲線在橫坐標(biāo)-20mm-0. OOmm范圍內(nèi)的相對(duì)誤差，直至相對(duì)誤差滿足誤差范圍。上述方案中，所述被測(cè)光學(xué)零件上、下表面的加熱恒溫源溫差為20-30°C。所述被測(cè)光學(xué)零件下表面加熱恒溫源采用平面加熱板，該加熱板與被測(cè)光學(xué)零件下表面保持平行。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、該方法只需要對(duì)零件上下表面保持一定的恒溫差，沒有對(duì)零件表面進(jìn)行加工， 克服了對(duì)零件表面材料進(jìn)行破壞的缺點(diǎn)；2、在保持零件上下表面恒溫差的前提條件下，用高分辨率掃描熱探針檢測(cè)零件上表面溫度場(chǎng)的變化，然后再用有限元分析軟件進(jìn)行仿真，此過程不需要很復(fù)雜的檢測(cè)設(shè)備， 也沒有過多的操作程序，比起其他檢測(cè)亞表面損傷層的方法更易于操作和實(shí)現(xiàn)；3、所需設(shè)備操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)周期短、成本低。


圖1為實(shí)測(cè)K9玻璃零件表面D區(qū)域上方的溫度場(chǎng)分布曲線。圖2為仿真的溫度場(chǎng)分布曲線。其中，曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)分別代表亞表面損傷裂紋的上下端，即a點(diǎn)和b點(diǎn)，a點(diǎn)距零件上表面的高度為hi ；b點(diǎn)距零件上表面的高度為h2。圖3為圖1、圖2的溫度場(chǎng)比較曲線。圖4、圖5為k9玻璃零件的恒溫加熱方式、檢測(cè)溫度方式及檢測(cè)溫度區(qū)域。其中圖5為圖4的俯視圖。
具體實(shí)施例方式光學(xué)材料研磨過程產(chǎn)生的亞表面損傷層的深度，可以直接影響光學(xué)零件的長期穩(wěn)定性、使用強(qiáng)度和抗激光損傷閾值等。因此非破壞式檢測(cè)光學(xué)零件的亞表面損傷及其重要。 下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，包括下述步驟(1)在光學(xué)k9玻璃零件的上表面設(shè)置加熱恒溫源Tl (10°C )，下表面采用加熱板設(shè)置加熱恒溫源T2(30°C )，T2 > Tl，上下表面的恒溫源溫差為20°C，加熱一段時(shí)間直至熱傳遞到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。玻璃零件下表面的恒溫加熱板要與零件下表面保持平行。(如圖4)(2)用高分辨率熱探針G檢測(cè)光學(xué)k9玻璃零件上表面D區(qū)域(如圖4，5)中上方溫度場(chǎng)的分布變化，得出溫度場(chǎng)分布曲線(如圖1)，即零件D區(qū)域表面至上方20mm處之間的溫度變化。(3)用有限元分析軟件建立k9玻璃零件的三維模型，設(shè)置與步驟(1)相同的溫度環(huán)境，且設(shè)定零件三維模型中D區(qū)域存在一定深度h(h2-hl)的亞表面損傷裂紋，分析計(jì)算零件三維模型溫度場(chǎng)的分布變化，得到仿真的溫度場(chǎng)的分布曲線(如圖2)。(4)比較步驟(2)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分布曲線與步驟(3)有限元模擬仿真的溫度場(chǎng)變化曲線得到一個(gè)溫度場(chǎng)比較曲線(如圖3)，計(jì)算兩條曲線在橫坐標(biāo)(-20mm-0. 00mm)范圍內(nèi)的相對(duì)誤差Δ δ，當(dāng)Δ δ滿足誤差范圍(相對(duì)誤差小于2% )時(shí)說明假定的亞表面損傷裂紋深度h合理，由此可判定零件表面D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度為(h2-hl)。其中，相對(duì)誤差=(絕對(duì)誤差/真值的絕對(duì)值)X100%，絕對(duì)誤差/Ah=E I測(cè)量值h’(i)_真值h(i) |，真值的絕對(duì)值Η=Σ h⑴；測(cè)量值h’(i)為實(shí)測(cè)曲線(圖1)上i =-1、-2、-3…-20的縱坐標(biāo)，h(i)為仿真曲線(圖2)上i =-1、-2、-3···-20的縱坐標(biāo)， i為橫坐標(biāo)。(5)如果步驟中的計(jì)算相對(duì)誤差大于誤差范圍，返回到步驟(3)，重新設(shè)置零件三維模型中D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度h’，且計(jì)算出相對(duì)于該設(shè)定損傷裂紋深度h’的相對(duì)誤差Δ δ ’，直至相對(duì)誤差Δ δ，滿足誤差范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，其特征在于，包括下述步驟(1)固定被測(cè)光學(xué)零件且保證零件四周沒有影響熱傳導(dǎo)的較大障礙物，在零件上表面設(shè)置第一加熱恒溫源Tl，下表面設(shè)置第二加熱恒溫源T2，T2 > Tl，直至上、下表面加熱恒溫源Tl、T2熱傳遞到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。(2)用高分辨率掃描熱探針探測(cè)被測(cè)光學(xué)零件上表面D區(qū)域中上方溫度場(chǎng)的分布，得出實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分布曲線；(3)用有限元分析軟件建立被測(cè)光學(xué)零件的三維模型，設(shè)置與步驟(1)相同的溫度環(huán)境，且設(shè)定被測(cè)光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域存在h的亞表面損傷裂紋深度，模擬計(jì)算被測(cè)光學(xué)零件三維模型溫度場(chǎng)的變化，得到仿真的溫度場(chǎng)分布曲線；(4)比較步驟(2)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分布曲線與步驟(3)模擬仿真的溫度場(chǎng)分布曲線得到一個(gè)溫度場(chǎng)比較曲線，計(jì)算兩條曲線在橫坐標(biāo)-20mm-0. OOmm范圍內(nèi)的相對(duì)誤差，當(dāng)相對(duì)誤差滿足誤差范圍時(shí)說明假定的亞表面損傷裂紋深度h合理，由此可判定被測(cè)光學(xué)零件表面D 區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度為h = h2-hl，其中h2為亞表面損傷裂紋下端距被測(cè)光學(xué)零件上表面的距離，hi為亞表面損傷裂紋上端距被測(cè)光學(xué)零件上表面的距離；(5)當(dāng)步驟(4)中計(jì)算的相對(duì)誤差大于誤差范圍，則返回到步驟(3)，重新設(shè)置被測(cè)光學(xué)零件三維模型中D區(qū)域的亞表面損傷裂紋深度h’，再按照步驟(4)計(jì)算出兩條曲線在橫坐標(biāo)-20mm-0. OOmm范圍內(nèi)的相對(duì)誤差，直至相對(duì)誤差滿足誤差范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，其特征在于，所述被測(cè)光學(xué)零件上、下表面的加熱恒溫源溫差為20-30°C。
3.如權(quán)利要求1所述的基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，其特征在于，所述被測(cè)光學(xué)零件下表面加熱恒溫源采用平面加熱板，該加熱板與被測(cè)光學(xué)零件下表面保持平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于溫度場(chǎng)有限元分析仿真的的亞表面損傷檢測(cè)方法，其特征在于，當(dāng)對(duì)零件上下表面加恒溫?zé)嵩磿r(shí)，零件基體內(nèi)的溫度場(chǎng)分布曲線會(huì)有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于裂紋的上下端。對(duì)被測(cè)零件上下表面加恒溫?zé)嵩?，用高分辨率掃描熱探針探測(cè)零件上表面穩(wěn)定后的溫度場(chǎng)分布，得到實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)變化曲線；建立具有不同深度亞表面損傷裂紋零件的三維模型，對(duì)零件模型的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行有限元分析仿真，得到仿真溫度場(chǎng)變化曲線。通過計(jì)算分析實(shí)測(cè)的和仿真的溫度場(chǎng)分布曲線相對(duì)誤差，根據(jù)仿真變化曲線的拐點(diǎn)判定出損傷裂紋的深度。本發(fā)明能夠在不損傷零件的情況下短周期、低成本檢測(cè)出零件亞表面損傷裂紋的深度。
文檔編號(hào)G01B21/18GK102155931SQ20101057049
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者王健云, 王海容, 苑國英, 蔣莊德 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)