TSCGS 317002-2023 金属材料 残余应力场的测定 变形力法

.S1SJ4.团 体 标 准S3金属材料 残余应力场的测定 变形力法cd3发布 4实施中国图学学会 发布中国标准出版社 出版S3目 次前言 Ⅲ引言 Ⅳ范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1符号和缩略语 1原理 2变形力测量原理 2残余应力场推断原理 2测量设备和材料 3力传感器 3材料约束装置 3测量流程和方法 3

…………………3被测构件准备 4获取体积系数矩阵 5材料去除及变形力测量 5数据处理及残余应力场求解 6残余应力场测量误差分析与结果评价 6应用示例 8检测报告的编写 8检测记录检测报告

……………8……………8附录A资料性)残余应力变形力力学原理 9附录B资料性)变形力法测量试件残余应力示例 1附录C资料性)变形力法测量试件残余应力检测报告 4参考文献 9ⅠS3前 言本文件按照标准化工作导则 第1部分标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件由南京航空航天大学提出。本文件由中国图学学会归口。本文件起草单位南京航空航天大学航空工业成都飞机工业集团有限责任公司中国商飞上海飞机制造有限公司。本文件主要起草人李迎光刘长青牟文平赵智伟张烘州李德华何方舟王鹏程郭浩楠郝小忠、黄信达李仁政陈智斌王恩宁陈俊松王宁坤。ⅢS3引 言残余应力是产品构件外部载荷去除后留存在构件表面和内部的自相平衡的应力具有大小方向和位置三维空间矢量分布特征。产品残余应力是产品构件的一个基本属性存在于产品全生命周期对产品构件的强度抗断裂性能疲劳强度构件尺寸稳定性抗腐蚀能力制造质量和服役工作可靠性等有着重要的影响对残余应力场进行测量及分析是重要且必要的。本文件旨在高精度地测量大型试件的残余应力场有利于提高产品的设计性能优化产品的加工工艺提高零件合格率更加准确的评估产品服役寿命能够为高价值产品设备的性能和安全性设计提供强有力的技术支撑。本文件的发布机构提请注意声明符合本文件时可能涉及到1与一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法及装置相关的专利的使用。本文件的发布机构对该专利的真实性有效性和范围无任何立场。该专利持有人已向本文件的发布机构保证他们愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下就专利授权许可进行谈判。该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。相关信息可以通过以下联系方式获得:专利持有人姓名李迎光刘长青赵智伟郝小忠倪炀王树国郭浩楠地址江苏省南京市秦淮区御道街9号南京航空航天大学明故宫校区联系人刘长青联系方式n请注意除上述专利外本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。ⅣS3金属材料 残余应力场的测定 变形力法范围本文件描述了采用变形力法测定金属材料开敞性结构类试件内部初始残余应力场的方法。本文件适用于采用变形力法进行金属材料残余应力的测定。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中注日期的引用文件仅该日期对应的版本适用于本文件不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于本文件。3机械制造工艺基本术语2半导体器件第3部分半导体传感器压力传感器2机械产品结构有限元力学分析通用规则1技术产品文件产品残余应力符号表示法术语和定义1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

产品残余应力s产品构件外部载荷去除后留存在构件表面和内部的自相平衡的应力。注具有大小方向和位置三维空间矢量分布特征。来源修改]变形力e工作在非切削状态下因切削去除材料引起的不平衡应力场使工件产生变形趋势在装夹约束状态下变形趋势必然会在工作台装夹等约束位置产生力的变化将此产生等效变形趋势的力定义为变形力。

变形力法ed通过监测试件材料去除过程中的变形力推断试件内部残余应力场的方法。残余应力场d在产品构件外部载荷去除后整体构件内形成的一种具有三维空间矢量分布特征的物理量场。体积系数矩阵x材料在不同几何状态下不同区域不同方向的残余应力值对变形力影响大小的系数组成的矩阵。1S3符号下列符号适用于本文件见表。表1符号符号单位说明0a试件初始残余应力场Mv—几何v的体积系数矩阵FvcN几何v约束状态的变形力a推断的初始残余应力值M—系列加工过程的几何体积系数矩阵FN系列加工几何状态下所有约束点不同方向的变形力向量I—单位矩阵α*—超参数)—推断残余应力场的偏差D)—残余应力推断结果的方差矩阵π—圆周率GN重力原理变形力测量原理材料去除过程中试件残余应力场的平衡被打破由于装夹装置的存在不平衡残余应力场作用于装夹装置使装夹装置产生作用力抵抗变形从而保持试件平衡状态。根据叠加原理变形力对变形的影响等效不平衡残余应力场对变形的影响。通过传感器测量约束点力的变化值即可获得变形力。残余应力场推断原理获得系列材料加工过程中产生的变形力利用残余应力场变形力力学方程组如式所示求解残余应力场的方法定义为变形力法原理如图1所示。具体推导过程见附录。式中:

0F 1)M系列加工过程的几何体积系数矩阵;0试件初始残余应力场;F系列加工几何状态下所有约束点不同方向的变形力向量单位为牛。2S3试件内残余应力分布示意图 变形力生成机理图图1变形力法测定残余应力场原理测量设备和材料力传感器力传感器按照2选取力传感器量程大于单个测力点约束装置变形力幅值与单个测力点约束装置所受加工过程附加力的和的0力传感器分辨率小于量程‰。材料约束装置试件约束装置根据功能分为测力点约束装置与非测力点装夹装置测力点约束装置集成了力传感器测量变形力时应采用铰接方式避免测量点力矩的引入影响测力精度非测力点装夹装置保证试件测量过程中的定位与夹紧要求。测量流程和方法概述变形力法推断初始残余应力场的过程由被测构件准备获取体积系数矩阵材料去除及变形力测量数据处理及残余应力场求解等构成见图具体示例见附录。3S3图2变形力法测量残余应力场流程被测构件准备确定变形力测量位置变形力测量点的位置根据材料几何选择外围角点或边界点且应保证变形力的测量位置形成的区域包络整体材料具体可依据专利”。安装材料约束装置根据不同试件结构选用不同的约束装置布局方法以满足变形力测量原则如框类梁类壁板类试件的材料选用材料中间区域固支约束测量点简支约束的布局。安装力传感器力传感器通过连接元件与试件测量点形成简支约束。应根据变形力方向确定力传感器测量方向宜使用多向力传感器结构件安装示意图如图3所示。4S3标引序号说明:力传感器;残余应力;非测力点装夹装置;4被测构件;测力点约束装置;6结构件。获取体积系数矩阵

图3结构件安装示意图体积系数矩阵通过有限元计算获得有限元计算应按照2给出的方法计算有限元计算参数至少应包括试件杨氏模量泊松比密度。根据有限元模型计算每个区域的单位残余应力对测量点的变形力的影响系数并根据影响系数组装体积系数矩阵。通过有限元仿真方法计算体积系数矩阵时应以完整测量试件形状建立有限元模型试件设置为弹性体应设置密度杨氏模量泊松比3个材料参数网格大小根据实际试件与残余应力重构精度决定宜小于5并采用结构化网格仿真得到的变形力应至少保留3位有效数字。通过施加固支约束的方法模拟非测力点装夹装置。根据实际情况使用弹簧单元模拟测力点简支约束。体积系数矩阵的获取应根据试件材料去除过程和材料去除顺序建立分析步通过生死单元法模拟材料去除过程每个分析步对应1个去除材料后的几何并在模型上施加不同的应力场分别进行仿真。仿真完成后根据仿真结果计算每个分析步中的几何对应的体积系数矩阵Mv组合后即可得到全局几何体积系数矩阵M。体积系数矩阵数据排布格式为仿真模型数量分析步数变形力监测点个数。材料去除及变形力测量根据实际加工需求去除材料每去除一个特征或一层材料可测量一组变形力。材料去除加工参数的选择应减小附加残余应力的引入。测试环境宜在室温5℃下温度波动小于5℃。5S3变形力测量应在试件不加工的状态下进行通过和变形力监测传感器初始状态求差获得变形力且应减小环境附加影响如材料碎屑冷却液等影响。通过多次材料去除过程得到一组变形力测量值F。实际环境中变形力是一种集中力所以变形力监测区域的变形力监测装置应构成简支约束以监测变形力。由于不同的装夹约束形式下试件受到的作用力形式不同因此试件的约束形式是实现变形力精确监测的前提。在加工过程中装夹装置是试件约束的主要组成部分。为实现加工过程中变形力的监测作为定位固定增强工件刚度的装夹装置不仅要满足变形力监测的约束条件充分反映试件的变形状态同时需要保证试件加工基准。为精确测量变形力使变形力能够充分等效不平衡残余应力场对变形的影响变形力测量过程符合以下要求:测量方向条件变形力测量方向根据工件的主变形方向确定使不同位置监测的不同方向变形力满足变形力精确测量条件;装夹包络约束变形力监测装置宜布置于试件外围且所有监测装置形成的包络面应包络试件几何;局部变形约束变形力监测过程中工件弱刚性部位等容易发生局部变形的地方需布置变形力监测装置。数据处理及残余应力场求解通过求解体积系数矩阵M的逆矩阵求解初始残余应力值如式所示。=MF 2)式中:M1体积系数矩阵M的逆矩阵。当材料去除量较小时体积系数矩阵M为病态矩阵。变形力测量误差可能导致应力场计算结果产生误差。为减少以上效应可采用式所示的吉洪诺夫正则化方法。=MM1MF 3)式中:推断的初始残余应力值单位为兆帕;F测量得到的变形力单位为牛;超参数可通过广义交叉验证方法获取最优超参数;I单位矩阵。残余应力场测量误差分析与结果评价残余应力场测量误差来源基于变形力的残余应力测定方法的主要误差来源有以下几个方面残余应力场的不均匀性体积系数矩阵求解误差力传感器测量误差材料去除过程引起的误差。体积系数矩阵求解误差通过有限元求解体积系数矩阵时仿真模型的参数误差网格划分大小会造成体积系数矩阵的求解误差。可通过细化网格使用更加准确的材料参数降低体积系数矩阵求解误差。力传感器测量误差变形力测量误差主要来源于力传感器的误差以及环境因素对变形力测量的影响。在测量过程6S3中可通过对力传感器进行温度补偿在变形力测量前清理切屑切削液等方式降低力传感器的测量误差。材料去除过程引起的误差切削残余应力场材料去除过程中引入的附加残余应力如切削残余应力的过度引入将影响初始残余应力场的推断结果。可通过线切割高速加工等切削残余应力较小的加工方法去除材料。重力场材料去除过程中随着材料的去除试件重力不断变化其影响了加工过程中变形力的测量精度和残余应力场推断效果根据式可减小重力场对应力场推断影响的影响。式中:

0FG 4)G仅重力作用时在变形力监测点产生的力单位为牛。残余应力场推断结果评价残余应力场推断结果可以通过推断偏差方差进行评价。推断残余应力场偏差估算推断残余应力场的偏差估算公式如式所示。=-*MMG1r=*MMG1M1F………5)式中:r真实残余应力场。推断残余应力场方差估算推断残余应力场的方差估算公式如式~式所示。D2MMG1MMMMG1 6)=L=F) 7)=式中:D方差;

2m

…………8)2实测变形力的单位权重方差采用最小二乘法估算;m测量的变形力的数量单位为个;n未知残余应力场值的数量单位为个。推断残余应力场置信度估算n推断残余应力场置信度估算公式如式所示。n=i

-iDi

(Di() 9)仿真环境推断残余应力场结果分析及评价方法在理论环境中可以根据实际加工环境的约束条件在仿真环境中设置残余应力场采集变形力推7S3断残余应力场最后通过均方根误差等评价方法对比推断残余应力场与设置理论残余应力场进而直接评价残余应力场推断结果。实际加工环境推断残余应力场结果评价方法实际加工环境推断残余应力场结果说明在实际环境中难以获得真实的残余应力值作为评价指标因此可以通过分析受残余应力场直接影响的物理量评价推断结果一般通过数值仿真环境实现残余应力场预测变形力或变形量。基于后续加工变形力的推断残余应力场结果评价方法在实际环境中可以将变形力作为评价指标即使用推断的残余应力场预测试件后续加工操作中产生的变形力并将预测的变形力与监测的变形力进行对比间接评价残余应力场推断结果。基于后续加工变形量的推断残余应力场结果评价方法在实际环境中可以将变形量作为评价指标即使用推断的残余应力场预测试件后续加工操作中产生的变形量并将预测的变形量与监测的变形量进行对比间接评价残余应力场推断结果。测量停止判断条件变形力测量值是否满足推断残余应力场的推断精度要求应根据已测量变形力组成的体积系数矩阵的条件数推断结果收敛情况推断结果置信度等条件判断。建议以推断的初始残余应力场预测的后续加工的变形力作为判断依据当用于推断的变形力数量增加推断的初始残余应力场结果收敛预测的变形力误差减少时可判断残余应力场推断结果满足需求。应用示例变形力法测量试件残余应力示例见附录B。检测报告的编写检测记录在残余应力检测过程中可以手动或自动记录检测结果检测结果应包括检测环境温度试件材料、试件尺寸残余应力检测数值测力点约束装置布置位置与非测力点装夹装置布置位置材料去除顺序、材料去除量监测变形力数值等。检测报告检测报告内容一般包括检测单位人员日期检测环境温度试件材料试件尺寸材料去除方法测力点约束装置非测力点装夹装置测力点约束装置布置位置非测力点装夹装置布置位置残余应力检测的具体数值等。变形力法测量试件残余应力检测报告示例见附录。8S3附 录A资料性)残余应力场变形力力学原理e*Tee*e*Tee*T0e=*Tee*TNTeV V式中:

V………………1)*e 单元节点的虚位移单位为米;fe 单元节点外力单位为牛;*T单元的虚应变*应满足*=B*e;σe 单元载荷引起的应力σe=DBδe其中D为弹性系数矩阵单位为兆帕0单元的残余应力向量0xyzxyzσe ; σe=σσστττT单位为兆帕;0单元的残余应力向量0xyzxyzNT 形函数;} —体积力此处为重力单位为牛;e —材料的体积微元。V代入式后得到式:VV*V

eBTDBδe=*Te+*T

eNTe+*

BT0e进一步方程两边略去*T得到式:eBTDBeδe=eeNTeeBe

……2)V( :

V V…………3)可简化为式

4

ee e e e

…………( )( )

Kδ

g0

4式4包含残余应力体积力的单元刚度方程。式中:e eeNTe单位为牛;V0e 单元残余应力等效节点载荷e∫Beσe单位为牛V0e单元刚度矩阵eeBTDBe;e 单元节点位移单位为毫米。通过将式按照试件系统内单元的连接关系组装集成从而得到试件某一几何状态v下的系统刚度方程如式:

vv v v v

…………( )式中:

KδFG0

5v系统节点位移单位为米;9S3约束力载荷即变形力v的反力v=v单位为牛;cccc体积力载荷单位为牛每平方米2;残余应力等效载荷单位为牛每平方米2cccc系统刚度矩阵。考虑试件变形力测量装置形成的简支约束等边界条件后可将刚度矩阵按照节点约束条件进行划分因此可进一步拆分为以下形式不考虑重力等体积力的影响如式:v

vv

0

0v=

crvv= rσ =

………6)v

v0

0

σv式中:

r c

c0

c0 cvvvv根据节点约束条件划分的子刚度矩阵;r c vrr0rvc

c非约束点的单元节点位移单位为米;残余应力等效载荷单位为牛每平方米2;约束点的单元节点残余应力等效载荷单位为牛每平方米2;约束力载荷单位为牛每平方米2。crrrc通过矩阵乘法约去系统节点位移后可进一步可得到变形力与残余应力间的平衡方程如式crrrcv-vv0

…………7)cc将变形力数据代入式后试件初始残余应力场0和变形力v的直接力学关系如式:cc式中:

0

…………8)crrrv体积系数矩阵v=vvvcrrr根据试件材料去除过程可得到系列加工时刻的残余应力变形力方程。组合后可得到试件系列加工过程中的残余应力场变形力方程组如式:

…………( )式中:

0F

9M系列加工过程的几何体积系数矩阵M=M1M2…vT;cF系列加工几何状态下所有约束点不同方向的变形力向量=12…vT单位为牛。c0S3附 录B资料性)变形力法测量试件残余应力示例概述本附录给出了变形力法测量5铝合金试件残余应力的示例。测量流程和方法准备被测构件被测构件说明验证示例为典型铝合金结构件尺寸为005。试件材质为5铝合金。材料的杨氏模量为7泊松比为。该试件包含7个槽特征每个槽的深度为2腹板厚度为3筋厚为4。确定变形力测量位置在实际加工过程中4个变形力监测点安置在工件的转角处包络整体材料并形成简支约束测量Z方向的变形力。安装材料约束装置和测力点约束装置考虑到试件材料的主要变形力方向由3个固定装夹单元和4个集成Z向力传感器的变形力监测单元对试件进行约束。根据加工工艺要求用3个固定装夹单元约束试件的6个自由度以保证加工基准。测力点约束装置的概念图如图下端为力传感器上端为铰链连接装置用于连接试件。在每个槽去除每一层材料后通过安装在4个变形力监测装夹装置中的力传感器记录4个变形力数据监测装置布局如图所示。变形力监测装置中集成的力传感器测量范围为分辨率为1。图1测力点约束装置1S3结构件信息 结构件加工装夹布局标引序号说明:;;;固定装夹装置;结构件;固定装夹;约束装置。图2示例试件信息及装夹布局获取体积系数矩阵根据加工过程中获得的变形力数据的数量和5铝合金材料残余应力场的分布规律将其残余应力场划分为2个区域沿Z方向分为3层沿XY平面均匀分为4个区域。每个区域包含xy而在预拉伸的铝合金材料中z和剪切应力可以忽略。该示例的体积系数矩阵M是通过有限元方法得到边界条件与实际实验环境中装夹的约束相同。试件几何模型来自试件的设计模型体积系数矩阵M由施加单位残余应力得到的相应区域内不同方向残余应力系数组成。体积系数矩阵M的规模为。材料去除及变形力测量槽的加工顺序如图中所示每个槽去除1层材料每个加工操作的切削深度为2第2层和第3层是剩余的材料。因此共对7个槽进行了7次加工操作。在本示例中材料去除方法为铣削去除策略为层优先即在加工中依次去除不同槽中相同深度即同一层的材料。在去除每个槽特征每层材料后4个力传感器依据顺序记录变形力的变化在该试件加工过程中共记录8个变形力数据。数据处理及残余应力场求解根据2中式求解初始残余应力值结果如图3所示根据7中式所示的置信度估算2S3方法计算得到的残余应力置信区间如图4蓝色阴影所示图中展示了8置信水平下应力场的置信区间。图3示例加工现场及监测变形力数据图4求解初始残余应力值3S3附 录C资料性)变形力法测量试件残余应力检测报告铝合金结构件变形力法残余应力测量检测报告编写人员:校对人员:审核人员:批准人员:单位:4测试样品及传感器布置

S3本次测量项目共一件测试样品待测样品为5铝合金结构件尺寸为0m0m×5如图1所示。材料的杨氏模量为7泊松比为。该试件包含7个槽特征每个槽的深度为2腹板厚度为3筋厚为4。图1试样零件图考虑到试件材料的主要变形力方向由3个固定装夹单元和4个集成Z向力传感器的变形力监测单元对试件进行约束。根据加工工艺要求用3个固定装夹单元约束试件的6个自由度以保证加工基准。测力点约束装置非测力点装夹装置装置布局如图2所示在测力点约束装置中布置如图3所示的单向力传感器力传感器相关参数如表。 结构件信息 结构件加工装夹布局图2试件信息及装夹布局5S3标引序号说明:;;;;固定装夹装置;结构件;固定装夹;约束装置。相关参数技术指标量程g精度等级1S相关参数技术指标量程g精度等级1S额定输出50V零点输出4V非线性1S滞后1S重复性5S蠕变0)5S温度灵敏度漂移10℃零点温度漂移10℃输入电阻00Ω输出电阻05Ω6表1力传感器相关参数续

S3相关参数技术指标绝缘电阻00)使用电压50C最大使用电压5C温度补偿范围0℃0℃工作温度范围0℃0℃安全过载0S极限过载0S电缆线尺寸3定制)防护等级6材料去除方法该试件包含7个槽特征