基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法

摘要

本发明涉及残余应力测量方法技术领域，尤其涉及一种基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法，包括如下步骤：a、在数值计算软件中建立匀质材料无应力的平板模型，并施加单向拉伸载荷，获得均布于平板模型内的应力场和应变场；b、在平板模型中心逐层去除铣削环槽处的材料，计算每去除一层铣削环槽处的材料后各铣削环槽深度对应的环芯处的应力值和应变增量；c、计算各铣削环槽深度对应的残余应力释放系数；d、计算各铣削环槽深度增量对应的等效残余应力释放系数；e、计算简化的残余应力释放系数；f、计算各铣削环槽深度对应的残余应力值。可获得不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数，准确测得残余应力在深度方向的分布特点。

说明书

技术领域

本发明涉及残余应力测量方法技术领域，尤其涉及一种基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法。

背景技术

残余应力是构件在没有外力或力矩的作用时存在于内部的应力。残余应力的存在不仅影响零件的静强度、抗腐蚀性能、疲劳强度等，也会导致零件在装配和使用过程中发生变形或破坏，影响零件的正常使用。因此，准确了解零件中的残余应力分布具有十分重要的意义。

测量残余应力方法主要有无损检测法和有损检测法。无损检测法主要有中字衍射法、X射线衍射法、超声法等，其优点在于不损害被测工件，但是成本较高，且要求被测工件体积较小。有损检测法主要包括盲孔法、环芯法、割条法等，优点是技术成熟、使用方便，缺点是会对零件造成损害。

环芯法是测量电站汽轮机转子残余应力的最常用方法之一。它是在待测工件表面加工出一个环形槽，中间为环芯。加工出来的环芯几乎不受外力作用，残余应力得到充分释放。用特定的应变花测量环芯处释放的应变，通过相应的计算公式即可获得环芯处的残余应力大小和方向。现有的环芯法测量标准限定了铣削环槽在深度方向的增量，且获得的是所钻深度方向的平均应力，因此当应力在深度方向的梯度较大时，测量结果不能很好的反映这一特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法，能够获得不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数及残余应力，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法，包括如下步骤：

步骤a、在数值计算软件中建立匀质材料无应力的平板模型，并在平板模型上施加单向拉伸载荷，获得均布于平板模型内的应力场和应变场；

步骤b、在平板模型中心逐层去除铣削环槽处的材料，并经平衡计算得出每去除一层铣削环槽处的材料后各铣削环槽深度对应的环芯处的应力值和应变增量；

步骤c、根据步骤b计算得出的应力值和应变增量，计算得出各铣削环槽深度对应的残余应力释放系数；

步骤d、根据步骤c计算得出的残余应力释放系数，计算得出每去除一层铣削环槽处的材料后各铣削环槽深度增量对应的等效残余应力释放系数；

步骤e、根据步骤d计算得出的等效残余应力释放系数，计算得出简化的残余应力释放系数；

步骤f、根据步骤e计算得出的简化的残余应力释放系数，计算得出各铣削环槽深度对应的残余应力值。

优选地，在步骤a中，平板模型上的应变片采用十字型应变片并沿主应力方向贴片，主应力方向为平板模型的轴向和周向。

优选地，在步骤c中，残余应力释放系数的计算方法为：

式中，Δε₀、Δε₉₀为两个主应力方向的应变增量；Δz为铣削环槽深度增量；k₁、k₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力释放系数；σ₁、σ₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的应力值；E为材料的杨氏模量；μ为材料的泊松比。

优选地，在步骤d中，等效残余应力释放系数的计算方法为：

式中，Δz为铣削环槽深度增量；K₁、K₂为相应铣削环槽深度增量对应的两个主应力方向上的等效残余应力释放系数；k₁、k₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力释放系数。

优选地，在步骤e中，简化的残余应力释放系数的计算方法为：

式中，ΔA、ΔB为简化的残余应力释放系数；Δz为铣削环槽深度增量；K₁、K₂为相应铣削环槽深度增量对应的两个主应力方向上的等效残余应力释放系数；μ为材料的泊松比。

优选地，在步骤f中，残余应力值的计算方法为：

式中，σ₁‘、σ₂‘为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力值；E为材料的杨氏模量；Δε₀、Δε₉₀为两个主应力方向的应变增量；ΔA、ΔB为简化的残余应力释放系数。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

本发明采用数值计算的方法较为简便地得出了不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数以及残余应力值，相较现有环芯法测量理论计算公式中的残余应力释放系数由实验进行确定，且残余应力释放系数仅对应特定的铣削环槽深度，本发明基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法能够更有效的表征这一特征，特别是当残余应力在铣削环槽深度方向梯度较大时，可以有效获得不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数，并计算得出不同铣削环槽深度对应的残余应力，从而更准确地测得残余应力在深度方向的分布特点。在铣削环槽的内外径发生变化的情况下，本发明的优势尤为明显。此外，本发明还具有实施简单可行的优点。

附图说明

图1是本发明实施例建立的匀质材料平板模型的示意图。

图2是图1中示出的平板模型进行网格划分后的示意图。

图3是利用图1中示出的平板模型模拟环芯法测量残余应力得到的环芯处的应变随铣削环槽深度变化的曲线。

图4是利用本发明实施例的基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法，计算得到的某镍基合金试样板的残余应力释放系数随铣削环槽深度变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1至图4所示，本发明基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法的一种实施例。本实施例的基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法适用于对各种工件的残余应力进行测量，尤其适用于测量电站汽轮机转子表面的残余应力。一下以测量电站汽轮机转子表面的残余应力为例进行说明。

具体地，本实施例的基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法包括如下步骤：

步骤a、如图1和图2所示，在数值计算软件中建立匀质材料无应力的平板模型，并在平板模型上施加单向拉伸载荷σ_a，获得均布于平板模型内的应力场和应变场。在本实施例中，由于电站汽轮机转子表面残余应力主方向沿轴向和周向分布，因此平板模型上的应变片采用十字型应变片并沿主应力方向贴片，该主应力方向为平板模型的轴向和周向两个方向。本实施例采用的数值计算软件为ABAQUS软件。

步骤b、在平板模型中心逐层去除铣削环槽处的材料，并由数值计算软件根据建立的平板模型，经平衡计算得出每去除一层铣削环槽处的材料后各铣削环槽深度对应的环芯处的应力值和应变增量。图3示出了在平板模型中心逐层去除铣削环槽处的材料的过程中，环芯处在两个主应力方向上的应变随铣削环槽深度变化的曲线。

步骤c、根据步骤b计算得出的应力值和应变增量，计算得出各铣削环槽深度对应的残余应力释放系数。本实施例中残余应力释放系数的计算方法为：

式中，Δε₀、Δε₉₀为两个主应力方向的应变增量；Δz为铣削环槽深度增量；k₁、k₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力释放系数；σ₁、σ₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的应力值；E为材料的杨氏模量；μ为材料的泊松比。

步骤d、根据步骤c计算得出的残余应力释放系数，计算得出每去除一层铣削环槽处的材料后各铣削环槽深度增量对应的等效残余应力释放系数。本实施例中等效残余应力释放系数的计算方法为：

式中，Δz为铣削环槽深度增量；K₁、K₂为相应铣削环槽深度增量对应的两个主应力方向上的等效残余应力释放系数；k₁、k₂为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力释放系数。图4示出了某镍基合金试样板的等效残余应力释放系数K₁、K₂随铣削环槽深度变化的曲线。

步骤e、根据步骤d计算得出的等效残余应力释放系数，计算得出简化的残余应力释放系数。本实施例中简化的残余应力释放系数的计算方法为：

式中，ΔA、ΔB为简化的残余应力释放系数；Δz为铣削环槽深度增量；K₁、K₂为相应铣削环槽深度增量对应的两个主应力方向上的等效残余应力释放系数；μ为材料的泊松比。

步骤f、根据步骤e计算得出的简化的残余应力释放系数，计算得出各铣削环槽深度对应的残余应力值。本实施例中残余应力值的计算方法为：

式中，σ₁‘、σ₂‘为相应铣削环槽深度对应的两个主应力方向上的残余应力值；E为材料的杨氏模量；Δε₀、Δε₉₀为两个主应力方向的应变增量；ΔA、ΔB为简化的残余应力释放系数。

由此，本实施例采用数值计算的方法较为简便地得出了不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数以及残余应力值。相较现有环芯法测量理论计算公式中的残余应力释放系数由实验进行确定，且残余应力释放系数仅对应特定的铣削环槽深度，本实施例基于数值计算的环芯法测量残余应力的方法能够更有效的表征这一特征，特别是当残余应力在铣削环槽深度方向梯度较大时，可以有效获得不同铣削环槽深度对应的残余应力释放系数，并计算得出不同铣削环槽深度对应的残余应力，从而更准确地测得残余应力在深度方向的分布特点。在铣削环槽的内外径发生变化的情况下，本实施例的优势尤为明显。此外，本发明还具有实施简单可行的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。