一種便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備及方法
【專利摘要】一種便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備和方法，利用二維數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)平面試件殘余應(yīng)力釋放前后的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到釋放前后的區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)。試件的應(yīng)力釋放可以采用鉆孔裝置或沖擊壓痕裝置實(shí)現(xiàn)。根據(jù)鉆孔法或沖擊壓痕法的殘余應(yīng)力的理論公式，計(jì)算得到試件的殘余應(yīng)力大小。該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的需求靈活選擇應(yīng)力釋放的方法，同時(shí)具有高精度，非接觸，操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及小型便捷的金屬板材殘余應(yīng)力測(cè)量裝置，該發(fā)明屬于光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)，工程材料，鉆孔法殘余應(yīng)力測(cè)量和沖擊壓痕法殘余應(yīng)力測(cè)量。
技術(shù)背景
[0002]構(gòu)件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為殘留應(yīng)力或殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。因此對(duì)構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)量是構(gòu)件質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。
[0003]目前，對(duì)殘余應(yīng)力的研究主要采用兩種方法，一種是通過實(shí)際測(cè)量的方法來獲得殘余應(yīng)力的大小及分布，另一種是利用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算。
[0004]測(cè)量殘余應(yīng)力的方法按其對(duì)結(jié)構(gòu)體是否有破壞，有全破壞法、半破壞法和無損法等幾種；按其測(cè)試原理，可分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法。機(jī)械測(cè)量方法主要包括截條法、逐層剝層法、Gunnert切銑環(huán)槽法、盲孔法、鉆階梯孔法、套取芯棒法和內(nèi)孔直接貼片法等；物理測(cè)量方法主要有X射線衍射法、中子衍射法、磁測(cè)法、超聲波法和固有應(yīng)變法等。鉆孔法是一種半破壞殘余應(yīng)力測(cè)量方法，利用鉆孔使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力得到全部或部分釋放，根據(jù)釋放應(yīng)變和釋放方法求出相應(yīng)的殘余應(yīng)力大小。沖擊壓痕法是一種無損的應(yīng)力疊加方法，此方法和應(yīng)力釋放法相反，采用特定壓頭壓入材料表面，通過壓痕獲得附加應(yīng)力場(chǎng)，再根據(jù)附加應(yīng)力場(chǎng)誘導(dǎo)的位移場(chǎng)變化信息來獲得殘余應(yīng)力，該方法的特點(diǎn)是非破壞性、方便性和準(zhǔn)確性。
[0005]工程中利用鉆孔法、沖擊壓痕法結(jié)合應(yīng)變片的方法進(jìn)行測(cè)量，也用很多相關(guān)的測(cè)量方法，如殘余應(yīng)力測(cè)量裝置(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN200820090081.9)和一種殘余應(yīng)力測(cè)量方法(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN01106312.2)等。能夠基本滿足工程上對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)量需要。但由于應(yīng)變片容易受到溫度、電磁環(huán)境和粘貼技術(shù)的影響，測(cè)量對(duì)環(huán)境和操作者的要求很高。數(shù)字散斑方法應(yīng)用于殘余應(yīng)力的測(cè)量一定程度上簡(jiǎn)化了應(yīng)變片測(cè)量的步驟，如一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)及方法(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN201010587490)。但此類系統(tǒng)和方法的設(shè)備復(fù)雜，不適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的殘余應(yīng)力測(cè)量要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)和多種方法的便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備和方法。該方法的操作簡(jiǎn)便，設(shè)備便攜可以實(shí)現(xiàn)在不同的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速測(cè)量。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備包括用于鉆孔法應(yīng)力釋放的小型鉆孔裝置(2)，用于沖擊壓痕法的可調(diào)節(jié)沖擊裝置(3)，一臺(tái)CCD電子顯微鏡(4)，安裝有“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”的計(jì)算機(jī)(5)，圓形網(wǎng)格的標(biāo)定板￠)，帶有磁性三足支架的固定平臺(tái)(7)和照明燈具(8)。上述鉆孔(2)、沖擊設(shè)備(3)和電子顯微鏡⑷可以從固定平臺(tái)(7)上便捷的安裝和拆卸，照明燈(8)具安裝于固定平臺(tái)(7)底部，固定平臺(tái)
(7)利用磁性的三足可調(diào)節(jié)支架固定于金屬試件(I)上。所述的鉆孔裝置由電動(dòng)推桿(9)、電鉆(10)和外壁(11)組成；可調(diào)節(jié)的沖擊壓痕裝置由撞桿(12)、彈簧(13)、力度調(diào)節(jié)器
(14)、觸發(fā)器(15)和外壁(16)組成。
[0009]組件1:鉆孔法殘余應(yīng)力的釋放裝置，由鉆孔裝置(2)與固定平臺(tái)(7)組合而成.其中鉆孔裝置中電動(dòng)推桿(9)固定在外壁(11)上，電鉆(10)固定在電動(dòng)推桿(9)的前端。外壁(11)安裝到固定平臺(tái)(7)中，并利用緊定螺釘(17)固定。
[0010]組件2:沖擊壓痕法殘余應(yīng)力場(chǎng)的疊加由沖擊設(shè)備(3)和固定平臺(tái)(7)組合而成。其中沖擊裝置(3)的結(jié)構(gòu)為力度調(diào)節(jié)旋鈕(14)反扣在外壁上，與撞桿(12)利用觸發(fā)器
(15)上的螺紋連接，彈簧(13)的一端與外壁(16)固定，另一端與撞桿(12)固定，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕(14)，撞桿(12)豎直移動(dòng)，拉動(dòng)或壓縮彈簧(13)以改變沖擊力度；撥動(dòng)觸發(fā)器(15)，螺紋收縮釋放撞桿(12)，沖擊試件產(chǎn)生壓痕。外壁(16)安裝到固定平臺(tái)(7)中，并利用緊定螺釘(17)固定。
[0011]組件3:散斑圖像的獲取電子顯微鏡(4)與固定平臺(tái)(7)組合而成，利用緊定螺釘固定(17)。
[0012]一種采用如要求I所述的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備的測(cè)量方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
[0013]首先，將固定平臺(tái)(7)固定在試件(I)上，打開照明燈，使試件(I)上有均勻分布的光照，將電子顯微鏡(4)安裝于固定平臺(tái)(7)上，調(diào)節(jié)顯微鏡(4)，使得試件(I)區(qū)域能夠清晰地成像。將標(biāo)定板(6)放置于顯微鏡(4)和試件在(I)之間，對(duì)顯微鏡(4)進(jìn)行標(biāo)定。取出標(biāo)定板￠)，利用電子顯微鏡(4)拍攝殘余應(yīng)力場(chǎng)改變前的試件表面區(qū)域的散斑圖像。
[0014]從固定平臺(tái)(7)中取出電子顯微鏡(4)，將鉆孔設(shè)備(2)或沖擊壓痕設(shè)備(3)，根據(jù)不同的試件調(diào)節(jié)鉆孔深度或是沖擊設(shè)備(3)沖擊力度，鉆孔或沖擊改變?cè)嚰系臍堄鄳?yīng)力場(chǎng)。從固定平臺(tái)上取出應(yīng)力釋放模塊(2) (3)，重新安裝電子顯微鏡(4)，拍攝試件表面殘余應(yīng)力場(chǎng)改變后的散斑圖像。
[0015]將殘余應(yīng)力釋放前后的兩幅圖像，利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”進(jìn)行二維應(yīng)變計(jì)算，根據(jù)鉆孔法和沖擊壓痕法殘余應(yīng)力的理論計(jì)算公式得到殘余應(yīng)力的大小。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:本發(fā)明提供的測(cè)量設(shè)備和方法是基于數(shù)字散斑相關(guān)的光力學(xué)測(cè)量方法，結(jié)合鉆孔設(shè)備和沖擊壓痕設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了多種測(cè)試方法的殘余應(yīng)力測(cè)量。而且操作簡(jiǎn)便，設(shè)備便攜，可以在工程現(xiàn)場(chǎng)提供高精度的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備的組成部分。
[0018]圖2為電子顯微鏡拍攝應(yīng)變場(chǎng)改變前的試件散斑圖像的示意圖。
[0019]圖3為利用鉆孔法釋放試件的殘余應(yīng)力的示意圖。
[0020]圖4為利用沖擊壓痕法對(duì)試件的應(yīng)力進(jìn)行疊加的示意圖。
[0021]圖5為電子顯微鏡拍攝應(yīng)變場(chǎng)改變后的試件散斑圖像的示意圖。
[0022]圖6為鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖7為沖擊壓痕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖8為本發(fā)明中設(shè)備和方法的使用流程圖。
[0025]圖中:1_殘余應(yīng)力試件；2_鉆孔裝置；3_沖擊壓痕裝置；4_電子顯微鏡；5_有“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”的計(jì)算機(jī)；6_圓形方陣標(biāo)定板；7_有磁性三足支架的固定平臺(tái)；8_LED照明燈；9_電動(dòng)推桿；10_電鉆；11-鉆孔外壁；12_撞桿；13_彈簧；14-力度調(diào)節(jié)器；15_觸發(fā)器；16_沖擊壓痕外壁；17_緊定螺釘。
具體實(shí)施方案
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備和方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]如圖2-圖5所示，本發(fā)明提供的便捷靈活的殘余應(yīng)力測(cè)量方法包括按順序的下列步驟:
[0028]I)準(zhǔn)備試件對(duì)試件I進(jìn)行局部的打磨，依次對(duì)試件噴涂白色底漆和黑色散斑。
[0029]2)安裝組件3，將組件3的三個(gè)磁性支架固定在試件上，調(diào)節(jié)支架8高度和電子顯微鏡4，打開LED照明燈8，使得顯微鏡4可以得到清晰圖像。
[0030]3)將標(biāo)定板6放置于顯微鏡4與試件I之間，電子顯微鏡4拍攝標(biāo)定板6圖像，利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”5計(jì)算電子顯微鏡4的內(nèi)參數(shù)。
[0031]4)取出標(biāo)定板6,電子顯微鏡4拍攝試件I應(yīng)力場(chǎng)改變之前的散斑圖像。
[0032]5)利用鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力。從固定平臺(tái)7中取出電子顯微鏡并安裝鉆孔設(shè)備，完成組件2。接通電源，電動(dòng)推桿的推桿產(chǎn)生直線移動(dòng)，推動(dòng)電鉆產(chǎn)生向工件的運(yùn)動(dòng)，并將鉆頭壓向工件，鉆頭與工件表面產(chǎn)生鉆削力；同時(shí)接通電鉆電源開關(guān)，電鉆旋轉(zhuǎn)，鉆頭完成鉆孔工作；通過電動(dòng)推桿的位移控制，控制鉆孔深度。控制電動(dòng)推桿的參數(shù)設(shè)置鉆孔深度，深度應(yīng)為1.0-1.2倍的鉆孔直徑，要求軸向送進(jìn)輕且慢，以便有充分時(shí)間散熱。
[0033]6)取出鉆孔設(shè)備2，安裝顯微鏡4，完成組件3。拍攝試件I應(yīng)力釋放后的散斑圖像。利用利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件” 5計(jì)算鉆孔區(qū)域周圍的應(yīng)變，并根據(jù)理論公式計(jì)算殘余應(yīng)力。
[0034]7)利用壓痕法測(cè)量殘余應(yīng)力。從固定平臺(tái)7中取出電子顯微鏡并安裝沖擊壓痕設(shè)備3，完成組件2。根據(jù)不同材料，通過調(diào)節(jié)沖擊裝置的力度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)沖擊力度，撥動(dòng)觸發(fā)器沖擊使得沖擊桿在試件I上制造球形壓痕在殘余應(yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變?cè)隽?，壓痕的深度?yīng)控制在0.lmm-0.3_。
[0035]8)取出壓痕設(shè)備3，安裝顯微鏡4，完成組件3。拍攝試件I應(yīng)力場(chǎng)疊加之后的散斑圖像。利用利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件” 5計(jì)算壓痕區(qū)域周圍的應(yīng)變，并根據(jù)理論公式計(jì)算殘余應(yīng)力。
[0036]利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成測(cè)量報(bào)告。
[0037]本發(fā)明提出的設(shè)備和方法基于光力學(xué)測(cè)量方法，結(jié)合便捷靈活的應(yīng)力場(chǎng)改變?cè)O(shè)備，達(dá)到實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速的試件殘余應(yīng)力測(cè)量的目睹。
[0038]本發(fā)明主要原理描述如下:基于非接觸的二維數(shù)字散斑相關(guān)方法，通過標(biāo)定顯微鏡的內(nèi)參數(shù)，根據(jù)具體改變應(yīng)力場(chǎng)的方式，利用應(yīng)力場(chǎng)改變前的散斑圖像為參考圖像，以改變后的圖像為目標(biāo)圖像，計(jì)算出試件殘余應(yīng)力的大小。
【權(quán)利要求】
1. 本發(fā)明的目的是提供一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)和多種方法的便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備和方法。該方法的操作簡(jiǎn)便，設(shè)備便攜可以實(shí)現(xiàn)在不同的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速測(cè)量。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種便捷的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備包括用于鉆孔法應(yīng)力釋放的小型鉆孔裝置(2)，用于沖擊壓痕法的可調(diào)節(jié)沖擊裝置(3)，一臺(tái)CCD電子顯微鏡(4)，安裝有“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”的計(jì)算機(jī)(5)，圓形網(wǎng)格的標(biāo)定板￠)，帶有磁性三足支架的固定平臺(tái)⑵和照明燈具(8)。上述鉆孔(2)、沖擊設(shè)備(3)和電子顯微鏡⑷可以從固定平臺(tái)(7)上便捷的安裝和拆卸，照明燈(8)具安裝于固定平臺(tái)(7)底部，固定平臺(tái)(7)利用磁性的三足可調(diào)節(jié)支架固定于金屬試件(I)上。所述的鉆孔裝置由電動(dòng)推桿(9)、電鉆(10)和外壁(11)組成；可調(diào)節(jié)的沖擊壓痕裝置由撞桿(12)、彈簧(13)、力度調(diào)節(jié)器(14)、觸發(fā)器(15)和外壁(16)組成。 組件1:鉆孔法殘余應(yīng)力的釋放裝置，由鉆孔裝置(2)與固定平臺(tái)(7)組合而成.其中鉆孔裝置中電動(dòng)推桿(9)固定在外壁(11)上，電鉆(10)固定在電動(dòng)推桿(9)的前端。夕卜壁(11)安裝到固定平臺(tái)(7)中，并利用緊定螺釘(17)固定。 組件2:沖擊壓痕法殘余應(yīng)力場(chǎng)的疊加由沖擊設(shè)備(3)和固定平臺(tái)(7)組合而成。其中沖擊裝置⑶的結(jié)構(gòu)為力度調(diào)節(jié)旋鈕(14)反扣在外壁上，與撞桿(12)利用觸發(fā)器(15)上的螺紋連接，彈簧(13)的一端與外壁(16)固定，另一端與撞桿(12)固定，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕(14)，撞桿(12)豎直移動(dòng)，拉動(dòng)或壓縮彈簧(13)以改變沖擊力度；撥動(dòng)觸發(fā)器(15)，螺紋收縮釋放撞桿(12)，沖擊試件產(chǎn)生壓痕。外壁(16)安裝到固定平臺(tái)(7)中，并利用緊定螺釘(17)固定。 組件3:散斑圖像的獲取電子顯微鏡(4)與固定平臺(tái)(7)組合而成，利用緊定螺釘固定(17)。
2.一種采用如要求I所述的殘余應(yīng)力測(cè)量設(shè)備的測(cè)量方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 首先，將固定平臺(tái)(7)固定在試件(I)上，打開照明燈，使試件(I)上有均勻分布的光照，將電子顯微鏡(4)安裝于固定平臺(tái)(7)上，調(diào)節(jié)顯微鏡(4)，使得試件(I)區(qū)域能夠清晰地成像。將標(biāo)定板(6)放置于顯微鏡(4)和試件在(I)之間，對(duì)顯微鏡(4)進(jìn)行標(biāo)定。取出標(biāo)定板￠)，利用電子顯微鏡(4)拍攝殘余應(yīng)力場(chǎng)改變前的試件表面區(qū)域的散斑圖像。 從固定平臺(tái)(7)中取出電子顯微鏡(4)，將鉆孔設(shè)備(2)或沖擊壓痕設(shè)備(3)，根據(jù)不同的試件調(diào)節(jié)鉆孔深度或是沖擊設(shè)備(3)沖擊力度，鉆孔或沖擊改變?cè)嚰系臍堄鄳?yīng)力場(chǎng)。從固定平臺(tái)上取出應(yīng)力釋放模塊(2) (3)，重新安裝電子顯微鏡(4)，拍攝試件表面殘余應(yīng)力場(chǎng)改變后的散斑圖像。 將殘余應(yīng)力釋放前后的兩幅圖像，利用“二維數(shù)字散斑殘余應(yīng)力測(cè)量軟件”進(jìn)行二維應(yīng)變計(jì)算，根據(jù)鉆孔法和沖擊壓痕法殘余應(yīng)力的理論計(jì)算公式得到殘余應(yīng)力的大小。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:本發(fā)明提供的測(cè)量設(shè)備和方法是基于數(shù)字散斑相關(guān)的光力學(xué)測(cè)量方法，結(jié)合鉆孔設(shè)備和沖擊壓痕設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了多種測(cè)試方法的殘余應(yīng)力測(cè)量。而且操作簡(jiǎn)便，設(shè)備便攜，可以在工程現(xiàn)場(chǎng)提供高精度的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01L1/00GK104236759SQ201410487823
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】李曉星, 葛宇龍, 楊巖峰, 鄭航 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)