T-SCGS 317002-2023 金屬材料 殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定 變形力法

ICS01.100.01CCSJ04團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/SCGS317002—2023金屬材料殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定變形力法Metallicmaterials—Determinationofresidualstress—Deformationforcemethod2023-12-23發(fā)布2023-12-24實(shí)施中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社ⅠT/SCGS317002—2023前言 Ⅲ引言 Ⅳ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)和定義 14符號(hào)和縮略語(yǔ) 15原理 25.1變形力測(cè)量原理 25.2殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷原理 26測(cè)量設(shè)備和材料 36.1力傳感器 36.2材料約束裝置 37測(cè)量流程和方法 37.1概述 37.2被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備 47.3獲取體積系數(shù)矩陣 57.4材料去除及變形力測(cè)量 57.5數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解 67.6殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差分析與結(jié)果評(píng)價(jià) 67.7應(yīng)用示例 88檢測(cè)報(bào)告的編寫 88.1檢測(cè)記錄 88.2檢測(cè)報(bào)告 8附錄A(資料性)殘余應(yīng)力場(chǎng)-變形力力學(xué)原理 9附錄B(資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例 11附錄C(資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告 14參考文獻(xiàn) 19ⅢT/SCGS317002—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由南京航空航天大學(xué)提出。本文件由中國(guó)圖學(xué)學(xué)會(huì)歸口。本文件起草單位:南京航空航天大學(xué)、航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司。ⅣT/SCGS317002—2023引言殘余應(yīng)力是產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后留存在構(gòu)件表面和內(nèi)部的自相平衡的應(yīng)力,具有大小、方向和位置三維空間矢量分布特征。產(chǎn)品殘余應(yīng)力是產(chǎn)品構(gòu)件的一個(gè)基本屬性,存在于產(chǎn)品全生命周期,對(duì)產(chǎn)品構(gòu)件的強(qiáng)度、抗斷裂性能、疲勞強(qiáng)度、構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性、抗腐蝕能力、制造質(zhì)量和服役(工作)可靠性等有著重要的影響,對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量及分析是重要且必要的。本文件旨在高精度地測(cè)量大型試件的殘余應(yīng)力場(chǎng),有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能、優(yōu)化產(chǎn)品的加工工藝提高零件合格率、更加準(zhǔn)確的評(píng)估產(chǎn)品服役壽命,能夠?yàn)楦邇r(jià)值產(chǎn)品、設(shè)備的性能和安全性設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)提請(qǐng)注意,聲明符合本文件時(shí),可能涉及到7.1.1與(CN202010747996.8)“一種在零件加工過(guò)程中精確測(cè)量變形力的方法及裝置”相關(guān)的專利的使用。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)對(duì)該專利的真實(shí)性、有效性和范圍無(wú)任何立場(chǎng)。該專利持有人已向本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)保證,他們?cè)敢馔魏紊暾?qǐng)人在合理且無(wú)歧視的條款和條件下,就專利授權(quán)許可進(jìn)行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)備案。相關(guān)信息可以通過(guò)以下聯(lián)系方式獲得:地址:江蘇省南京市秦淮區(qū)御道街29號(hào)南京航空航天大學(xué)明故宮校區(qū)聯(lián)系人:劉長(zhǎng)青聯(lián)系方式:liuchangqing@請(qǐng)注意除上述專利外,本文件的某些內(nèi)容仍可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。1T/SCGS317002—2023金屬材料殘余應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定變形力法1范圍本文件描述了采用變形力法測(cè)定金屬材料開(kāi)敞性結(jié)構(gòu)類試件內(nèi)部初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的方法。本文件適用于采用變形力法進(jìn)行金屬材料殘余應(yīng)力的測(cè)定。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T4863機(jī)械制造工藝基本術(shù)語(yǔ)GB/T20522半導(dǎo)體器件第14-3部分:半導(dǎo)體傳感器-壓力傳感器GB/T33582機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則GB/T40121技術(shù)產(chǎn)品文件產(chǎn)品殘余應(yīng)力符號(hào)表示法3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T4863、GB/T20522、GB/T33582、GB/T40121界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。產(chǎn)品殘余應(yīng)力productresidualstress產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后留存在構(gòu)件表面和內(nèi)部的自相平衡的應(yīng)力。注:具有大小、方向和位置三維空間矢量分布特征。[來(lái)源:GB/T40121—2021,修改3.1]3.2變形力deformationforce工作在非切削狀態(tài)下,因切削去除材料引起的不平衡應(yīng)力場(chǎng)使工件產(chǎn)生變形趨勢(shì),在裝夾約束狀態(tài)下,變形趨勢(shì)必然會(huì)在工作臺(tái)、裝夾等約束位置產(chǎn)生力的變化,將此產(chǎn)生等效變形趨勢(shì)的力定義為變形力。3.3變形力法deformationforcemethod通過(guò)監(jiān)測(cè)試件材料去除過(guò)程中的變形力推斷試件內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)的方法。3.4殘余應(yīng)力場(chǎng)residualstressfield在產(chǎn)品構(gòu)件外部載荷去除后,整體構(gòu)件內(nèi)形成的一種具有三維空間矢量分布特征的物理量場(chǎng)。3.5體積系數(shù)矩陣volumecoefficientmatrix材料在不同幾何狀態(tài)下,不同區(qū)域、不同方向的殘余應(yīng)力值對(duì)變形力影響大小的系數(shù)組成的矩陣。2T/SCGS317002—20234符號(hào)下列符號(hào)適用于本文件,見(jiàn)表1。表1符號(hào)符號(hào)單位說(shuō)明σ0MPa試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)Mv 幾何v的體積系數(shù)矩陣FN幾何v約束狀態(tài)的變形力σMPa推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力值M—系列加工過(guò)程的幾何體積系數(shù)矩陣FN系列加工幾何狀態(tài)下所有約束點(diǎn)不同方向的變形力向量I 單位矩陣α* 超參數(shù)—推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的偏差—?dú)堄鄳?yīng)力推斷結(jié)果的方差矩陣π—圓周率GN重力5原理5.1變形力測(cè)量原理材料去除過(guò)程中,試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的平衡被打破,由于裝夾裝置的存在,不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)作用于裝夾裝置,使裝夾裝置產(chǎn)生作用力,抵抗變形,從而保持試件平衡狀態(tài)。根據(jù)疊加原理,變形力對(duì)變形的影響等效不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)變形的影響。通過(guò)傳感器測(cè)量約束點(diǎn)力的變化值,即可獲得變形力。5.2殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷原理獲得系列材料加工過(guò)程中產(chǎn)生的變形力,利用殘余應(yīng)力場(chǎng)-變形力力學(xué)方程組,如式(1)所示,求解殘余應(yīng)力場(chǎng)的方法定義為變形力法,原理如圖1所示。具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄A。Mσ0=F…………(1)式中:M—系列加工過(guò)程的幾何體積系數(shù)矩陣;σ0—試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng);F—系列加工幾何狀態(tài)下所有約束點(diǎn)不同方向的變形力向量,單位為牛(N)。3T/SCGS317002—2023a)試件內(nèi)殘余應(yīng)力分布示意圖b)變形力生成機(jī)理圖圖1變形力法測(cè)定殘余應(yīng)力場(chǎng)原理6測(cè)量設(shè)備和材料6.1力傳感器力傳感器按照GB/T20522選取,力傳感器量程大于單個(gè)測(cè)力點(diǎn)約束裝置變形力幅值與單個(gè)測(cè)力點(diǎn)約束裝置所受加工過(guò)程附加力的和的120%,力傳感器分辨率小于量程5‰。6.2材料約束裝置試件約束裝置根據(jù)功能分為測(cè)力點(diǎn)約束裝置與非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置,測(cè)力點(diǎn)約束裝置集成了力傳感器,測(cè)量變形力時(shí)應(yīng)采用鉸接方式,避免測(cè)量點(diǎn)力矩的引入影響測(cè)力精度,非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置保證試件測(cè)量過(guò)程中的定位與夾緊要求。7測(cè)量流程和方法7.1概述變形力法推斷初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的過(guò)程由被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備、獲取體積系數(shù)矩陣、材料去除及變形力測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解等構(gòu)成,見(jiàn)圖2,具體示例見(jiàn)附錄B。4T/SCGS317002—2023圖2變形力法測(cè)量殘余應(yīng)力場(chǎng)流程7.2被測(cè)構(gòu)件準(zhǔn)備7.2.1確定變形力測(cè)量位置變形力測(cè)量點(diǎn)的位置根據(jù)材料幾何選擇外圍角點(diǎn)或邊界點(diǎn),且應(yīng)保證變形力的測(cè)量位置形成的區(qū)域包絡(luò)整體材料,具體可依據(jù)專利7.2.2安裝材料約束裝置根據(jù)不同試件結(jié)構(gòu),選用不同的約束裝置布局方法,以滿足變形力測(cè)量原則,如框類、梁類、壁板類試件的材料,選用材料中間區(qū)域固支約束,測(cè)量點(diǎn)簡(jiǎn)支約束的布局。7.2.3安裝力傳感器力傳感器通過(guò)連接元件與試件測(cè)量點(diǎn)形成簡(jiǎn)支約束。應(yīng)根據(jù)變形力方向確定力傳感器測(cè)量方向,宜使用多向力傳感器,結(jié)構(gòu)件安裝示意圖如圖3所示。5T/SCGS317002—2023標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明:1—力傳感器;2—?dú)堄鄳?yīng)力;3、7—非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置;4—被測(cè)構(gòu)件;5、8—測(cè)力點(diǎn)約束裝置;6—結(jié)構(gòu)件。圖3結(jié)構(gòu)件安裝示意圖7.3獲取體積系數(shù)矩陣7.3.1體積系數(shù)矩陣通過(guò)有限元計(jì)算獲得,有限元計(jì)算應(yīng)按照GB/T33582給出的方法計(jì)算,有限元計(jì)算參數(shù)至少應(yīng)包括試件楊氏模量、泊松比、密度。根據(jù)有限元模型計(jì)算每個(gè)區(qū)域的單位殘余應(yīng)力對(duì)測(cè)量點(diǎn)的變形力的影響系數(shù),并根據(jù)影響系數(shù)組裝體積系數(shù)矩陣。7.3.2通過(guò)有限元仿真方法計(jì)算體積系數(shù)矩陣時(shí),應(yīng)以完整測(cè)量試件形狀建立有限元模型,試件設(shè)置為彈性體,應(yīng)設(shè)置密度、楊氏模量、泊松比3個(gè)材料參數(shù),網(wǎng)格大小根據(jù)實(shí)際試件與殘余應(yīng)力重構(gòu)精度決定,宜小于5mm,并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,仿真得到的變形力應(yīng)至少保留3位有效數(shù)字。通過(guò)施加固支約束的方法模擬非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置。根據(jù)實(shí)際情況使用彈簧單元模擬測(cè)力點(diǎn)簡(jiǎn)支約束。7.3.3體積系數(shù)矩陣的獲取,應(yīng)根據(jù)試件材料去除過(guò)程和材料去除順序建立分析步,通過(guò)生死單元法模擬材料去除過(guò)程,每個(gè)分析步對(duì)應(yīng)1個(gè)去除材料后的幾何,并在模型上施加不同的應(yīng)力場(chǎng)分別進(jìn)行仿真。仿真完成后根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算每個(gè)分析步中的幾何對(duì)應(yīng)的體積系數(shù)矩陣Mv,組合后即可得到全局幾何體積系數(shù)矩陣M。體積系數(shù)矩陣數(shù)據(jù)排布格式為:[仿真模型數(shù)量,分析步數(shù)變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)]。7.4材料去除及變形力測(cè)量7.4.1根據(jù)實(shí)際加工需求去除材料,每去除一個(gè)特征或一層材料,可測(cè)量一組變形力。材料去除加工參數(shù)的選擇應(yīng)減小附加殘余應(yīng)力的引入。測(cè)試環(huán)境宜在室溫25℃下,溫度波動(dòng)小于5℃。6T/SCGS317002—20237.4.2變形力測(cè)量應(yīng)在試件不加工的狀態(tài)下進(jìn)行,通過(guò)和變形力監(jiān)測(cè)傳感器初始狀態(tài)求差獲得變形力;且應(yīng)減小環(huán)境附加影響,如材料碎屑、冷卻液等影響。通過(guò)多次材料去除過(guò)程,得到一組變形力測(cè)量值F。7.4.3實(shí)際環(huán)境中,變形力是一種集中力,所以變形力監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形力監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)構(gòu)成簡(jiǎn)支約束,以監(jiān)測(cè)變形力。7.4.4由于不同的裝夾約束形式下,試件受到的作用力形式不同,因此試件的約束形式是實(shí)現(xiàn)變形力精確監(jiān)測(cè)的前提。在加工過(guò)程中,裝夾裝置是試件約束的主要組成部分。為實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中變形力的監(jiān)測(cè),作為定位、固定、增強(qiáng)工件剛度的裝夾裝置,不僅要滿足變形力監(jiān)測(cè)的約束條件,充分反映試件的變形狀態(tài),同時(shí)需要保證試件加工基準(zhǔn)。為精確測(cè)量變形力,使變形力能夠充分等效不平衡殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)變形的影響,變形力測(cè)量過(guò)程符合以下要求:a)測(cè)量方向條件:變形力測(cè)量方向根據(jù)工件的主變形方向確定,使不同位置監(jiān)測(cè)的不同方向變形力滿足變形力精確測(cè)量條件;b)裝夾包絡(luò)約束:變形力監(jiān)測(cè)裝置宜布置于試件外圍,且所有監(jiān)測(cè)裝置形成的包絡(luò)面應(yīng)包絡(luò)試件幾何;c)局部變形約束:變形力監(jiān)測(cè)過(guò)程中,工件弱剛性部位等容易發(fā)生局部變形的地方需布置變形力監(jiān)測(cè)裝置。7.5數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解7.5.1通過(guò)求解體積系數(shù)矩陣M的逆矩陣,求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值,如式(2)所示。=M-1F…………(2)式中:M-1—體積系數(shù)矩陣M的逆矩陣。7.5.2當(dāng)材料去除量較小時(shí),體積系數(shù)矩陣M為病態(tài)矩陣。變形力測(cè)量誤差可能導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。為減少以上效應(yīng),可采用式(3)所示的吉洪諾夫正則化方法。=(MTM+α*I)-1MTF…………(3)式中:—推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力值,單位為兆帕(MPa);F—測(cè)量得到的變形力,單位為牛(N);α*—超參數(shù),可通過(guò)廣義交叉驗(yàn)證方法獲取最優(yōu)超參數(shù);I—單位矩陣。7.6殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差分析與結(jié)果評(píng)價(jià)7.6.1殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量誤差來(lái)源基于變形力的殘余應(yīng)力測(cè)定方法的主要誤差來(lái)源有以下幾個(gè)方面:殘余應(yīng)力場(chǎng)的不均勻性、體積系數(shù)矩陣求解誤差、力傳感器測(cè)量誤差、材料去除過(guò)程引起的誤差。7.6.2體積系數(shù)矩陣求解誤差通過(guò)有限元求解體積系數(shù)矩陣時(shí),仿真模型的參數(shù)誤差、網(wǎng)格劃分大小會(huì)造成體積系數(shù)矩陣的求解誤差。可通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格,使用更加準(zhǔn)確的材料參數(shù),降低體積系數(shù)矩陣求解誤差。7.6.3力傳感器測(cè)量誤差變形力測(cè)量誤差主要來(lái)源于力傳感器的誤差以及7T/SCGS317002—2023中,可通過(guò)對(duì)力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,在變形力測(cè)量前清理切屑、切削液等方式降低力傳感器的測(cè)量誤差。7.6.4材料去除過(guò)程引起的誤差切削殘余應(yīng)力場(chǎng)材料去除過(guò)程中,引入的附加殘余應(yīng)力,如切削殘余應(yīng)力的過(guò)度引入將影響初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)的推斷結(jié)果?？赏ㄟ^(guò)線切割、高速加工等切削殘余應(yīng)力較小的加工方法去除材料。重力場(chǎng)材料去除過(guò)程中,隨著材料的去除,試件重力不斷變化,其影響了加工過(guò)程中變形力的測(cè)量精度和殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷效果,根據(jù)式(4)可減小重力場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)推斷影響的影響。Mσ0=F+G…………(4)式中:G—僅重力作用時(shí)在變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的力,單位為牛(N)。7.6.5殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果可以通過(guò)推斷偏差、方差進(jìn)行評(píng)價(jià)。7.6.6推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)偏差估算推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的偏差估算公式,如式(5)所示。Bias()=-[α*(MTM+α*G)-1]σr=[-α*(MTM+α*G)-1M-1]F………(5)式中:σr—真實(shí)殘余應(yīng)力場(chǎng)。7.6.7推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)方差估算推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的方差估算公式,如式(6)~式(8)所示。D()=τ2(MTM+α*G)-1MTM(MTM+α*G)-1 (6)eL=(M-F) (7)…………(8)式中:—方差;τ2—實(shí)測(cè)變形力的單位權(quán)重方差,采用最小二乘法估算;m—測(cè)量的變形力的數(shù)量,單位為個(gè);n—未知?dú)堄鄳?yīng)力場(chǎng)值的數(shù)量,單位為個(gè)。7.6.8推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)置信度估算推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)置信度估算公式,如式(9)所示。-log-log…………(9)7.6.9仿真環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析及評(píng)價(jià)方法在理論環(huán)境中,可以根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境的約束條件,在仿真環(huán)境中設(shè)置殘余應(yīng)力場(chǎng)、采集變形力推8T/SCGS317002—2023斷殘余應(yīng)力場(chǎng),最后通過(guò)均方根誤差等評(píng)價(jià)方法對(duì)比推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)與設(shè)置理論殘余應(yīng)力場(chǎng),進(jìn)而直接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果。7.6.10實(shí)際加工環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法實(shí)際加工環(huán)境推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果說(shuō)明在實(shí)際環(huán)境中,難以獲得真實(shí)的殘余應(yīng)力值作為評(píng)價(jià)指標(biāo),因此可以通過(guò)分析受殘余應(yīng)力場(chǎng)直接影響的物理量評(píng)價(jià)推斷結(jié)果,一般通過(guò)數(shù)值仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)變形力或變形量。基于后續(xù)加工變形力的推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法在實(shí)際環(huán)境中,可以將變形力作為評(píng)價(jià)指標(biāo),即使用推斷的殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)試件后續(xù)加工操作中產(chǎn)生的變形力,并將預(yù)測(cè)的變形力與監(jiān)測(cè)的變形力進(jìn)行對(duì)比,間接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果?；诤罄m(xù)加工變形量的推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果評(píng)價(jià)方法在實(shí)際環(huán)境中,可以將變形量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),即使用推斷的殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)試件后續(xù)加工操作中產(chǎn)生的變形量,并將預(yù)測(cè)的變形量與監(jiān)測(cè)的變形量進(jìn)行對(duì)比,間接評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果。7.6.11測(cè)量停止判斷條件變形力測(cè)量值是否滿足推斷殘余應(yīng)力場(chǎng)的推斷精度要求,應(yīng)根據(jù)已測(cè)量變形力組成的體積系數(shù)矩陣的條件數(shù)、推斷結(jié)果收斂情況、推斷結(jié)果置信度等條件判斷。建議以推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)的后續(xù)加工的變形力作為判斷依據(jù),當(dāng)用于推斷的變形力數(shù)量增加,推斷的初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)結(jié)果收斂,預(yù)測(cè)的變形力誤差減少時(shí),可判斷殘余應(yīng)力場(chǎng)推斷結(jié)果滿足需求。7.7應(yīng)用示例變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例見(jiàn)附錄B。8檢測(cè)報(bào)告的編寫8.1檢測(cè)記錄在殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中,可以手動(dòng)或自動(dòng)記錄檢測(cè)結(jié)果,檢測(cè)結(jié)果應(yīng)包括檢測(cè)環(huán)境溫度、試件材料、試件尺寸、殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)值、測(cè)力點(diǎn)約束裝置布置位置與非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置布置位置、材料去除順序、材料去除量、監(jiān)測(cè)變形力數(shù)值等。8.2檢測(cè)報(bào)告8.2.1檢測(cè)報(bào)告內(nèi)容一般包括檢測(cè)單位、人員、日期、檢測(cè)環(huán)境溫度、試件材料、試件尺寸、材料去除方法、測(cè)力點(diǎn)約束裝置、非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置、測(cè)力點(diǎn)約束裝置布置位置、非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置布置位置、殘余應(yīng)力檢測(cè)的具體數(shù)值等。8.2.2變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告示例見(jiàn)附錄C。9T/SCGS317002—2023附錄A(資料性)殘余應(yīng)力場(chǎng)-變形力力學(xué)原理當(dāng)變形力的反力與殘余應(yīng)力作用于同一材料時(shí),工件處于平衡狀態(tài)。根據(jù)虛功原理,外力即變形力的反力對(duì)虛位移所做功等于內(nèi)力即殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)虛位移所做功。取材料內(nèi)一單元,分析單元內(nèi)殘余應(yīng)力與外力的關(guān)系,進(jìn)而得到整體的殘余應(yīng)力場(chǎng)-變形力關(guān)系。對(duì)于任一單元,其虛功方程如式(A.1)所示。edVe-edVe=………………(A.1)式中:{δ*}e—單元節(jié)點(diǎn)的虛位移,單位為米(m);{f}e—單元節(jié)點(diǎn)外力,單位為牛(N);{ε*}eT—單元的虛應(yīng)變,{ε*}應(yīng)滿足{ε*}=[B]{δ*}e;{σ}e—單元載荷引起的應(yīng)力,{σ}e=[D][B]{δ}e,其中[D]為彈性系數(shù)矩陣,單位為兆帕(MPa);{σ0}e—單元的殘余應(yīng)力向量,{σ0}e=[σx,σy,σz,τx,τy,τz]T,單位為兆帕(MPa);[N]T—形函數(shù);{g}—體積力,此處為重力,單位為牛(N);dVe—材料的體積微元。代入式(A.1)后,得到式(A.2):(δ)T∫Ve[B]T[D][B]{δ}edVe={δ*}eT{f}e+{δ*}eT∫Ve[N]T{g}dVe+{δ*}eT∫Ve[B]T{σ0}edVe……(A.2)進(jìn)一步,方程兩邊略去{δ*}eT得到式(A.3):…………(A.3)可簡(jiǎn)化為式(A.4):Keδe=fe+ge+R0…………(A.4)式(A.4)包含殘余應(yīng)力、體積力的單元?jiǎng)偠确匠?。式?ge—單元體積力等效節(jié)點(diǎn)載荷,ge]T{g}dVe,單位為牛(N);R0—單元?dú)堄鄳?yīng)力等效節(jié)點(diǎn)載荷,R]TdVe{σ0}e,單位為牛(N);Ke—單元?jiǎng)偠染仃?Ke]T[D][B]dVe;δe—單元節(jié)點(diǎn)位移,單位為毫米(mm)。通過(guò)將式(A.4)按照試件系統(tǒng)內(nèi)單元的連接關(guān)系組裝集成,從而得到試件某一幾何狀態(tài)v下的系統(tǒng)剛度方程如式(A.5):Kvδv=Fv+Gv+R0…………(A.5)式中:δv—系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移,單位為米(m);10T/SCGS317002—2023Gv—體積力載荷,單位為牛每平方米(N/m2);F—約束力載荷,即變形力F的反力,F=Gv—體積力載荷,單位為牛每平方米(N/m2);R—?dú)堄鄳?yīng)力等效載荷,單位為牛每平方米(N/m2);Kv—系統(tǒng)剛度矩陣。考慮試件變形力測(cè)量裝置形成的簡(jiǎn)支約束等邊界條件后,可將剛度矩陣按照節(jié)點(diǎn)約束條件進(jìn)行劃分,因此,(A.5)可進(jìn)一步拆分為以下形式(不考慮重力等體積力的影響),如式(A.6):Kvδv=式中:K,Kc,K,K—根據(jù)節(jié)點(diǎn)約束條件劃分的子剛度矩陣;δ—非約束點(diǎn)的單元節(jié)點(diǎn)位移,單位為米(m);R,σ0—?dú)堄鄳?yīng)力等效載荷,單位為牛每平方米(N/m2);R,σ0—約束點(diǎn)的單元節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力等效載荷,單位為牛每平方米(N/m2);F—約束力載荷,單位為牛每平方米(N/m2)。通過(guò)矩陣乘法,約去系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移后,可進(jìn)一步可得到變形力與殘余應(yīng)力間的平衡方程如式(A.7):[B-KKr,-1B]σ0=-F…………(A.7)將變形力數(shù)據(jù)代入式(A.5)后,試件初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)σ0和變形力F的直接力學(xué)關(guān)系如式(A.8):Mvσ0=F…………(A.8)式中:1B]殘。余應(yīng)力-變形力方程。組合后可得到試件系列加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力場(chǎng)-變形力方程組如式(A.9):Mσ0=F…………(A.9)式中:,2向,量…,,][,F,…,F]T,單位為牛(N)。11T/SCGS317002—2023附錄B(資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力示例B.1概述本附錄給出了變形力法測(cè)量7075鋁合金試件殘余應(yīng)力的示例。B.2測(cè)量流程和方法B.2.1準(zhǔn)備被測(cè)構(gòu)件B.2.1.1被測(cè)構(gòu)件說(shuō)明驗(yàn)證示例為典型鋁合金結(jié)構(gòu)件,尺寸為640mm×180mm×25mm。試件材質(zhì)為7075鋁合金。材料的楊氏模量為71.7GPa,泊松比為0.3。該試件包含7個(gè)槽特征,每個(gè)槽的深度為22mm,腹板厚度為3mm,筋厚為4mm。B.2.1.2確定變形力測(cè)量位置在實(shí)際加工過(guò)程中,4個(gè)變形力監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置在工件的轉(zhuǎn)角處,包絡(luò)整體材料,并形成簡(jiǎn)支約束,測(cè)量Z方向的變形力。B.2.1.3安裝材料約束裝置和測(cè)力點(diǎn)約束裝置考慮到試件材料的主要變形力方向,由3個(gè)固定裝夾單元和4個(gè)集成Z向力傳感器的變形力監(jiān)測(cè)單元對(duì)試件進(jìn)行約束。根據(jù)加工工藝要求,用3個(gè)固定裝夾單元約束試件的6個(gè)自由度,以保證加工基準(zhǔn)。測(cè)力點(diǎn)約束裝置的概念圖如圖B.1,下端為力傳感器,上端為鉸鏈連接裝置用于連接試件。在每個(gè)槽去除每一層材料后通過(guò)安裝在4個(gè)變形力監(jiān)測(cè)裝夾裝置中的力傳感器記錄4個(gè)變形力數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)裝置布局如圖B.2b)所示。變形力監(jiān)測(cè)裝置中集成的力傳感器測(cè)量范圍為2kN,分辨率為1N。圖B.1測(cè)力點(diǎn)約束裝置12T/SCGS317002—2023a)結(jié)構(gòu)件信息b)結(jié)構(gòu)件加工裝夾布局標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明:1—傳感器-1;2—傳感器-2;3—傳感器-3;4—傳感器-4;5—固定裝夾裝置;6—結(jié)構(gòu)件;7—固定裝夾;8—約束裝置。圖B.2示例試件信息及裝夾布局B.2.2獲取體積系數(shù)矩陣根據(jù)加工過(guò)程中獲得的變形力數(shù)據(jù)的數(shù)量和7075鋁合金材料殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,將其殘余應(yīng)力場(chǎng)劃分為52個(gè)區(qū)域,沿Z方向分為13層,沿X-Y平面均勻分為4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域包含σx,σy,而在預(yù)拉伸的鋁合金材料中σz和剪切應(yīng)力可以忽略。該示例的體積系數(shù)矩陣M是通過(guò)有限元方法得到,邊界條件與實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中裝夾的約束相同。試件幾何模型來(lái)自試件的設(shè)計(jì)模型,體積系數(shù)矩陣M由施加單位殘余應(yīng)力得到的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)不同方向殘余應(yīng)力系數(shù)組成。體積系數(shù)矩陣M的規(guī)模為308×104。B.2.3材料去除及變形力測(cè)量槽的加工順序如圖B.2a)中所示,每個(gè)槽去除11層材料,每個(gè)加工操作的切削深度為2mm,第12層和第13層是剩余的材料。因此,共對(duì)7個(gè)槽進(jìn)行了77次加工操作。在本示例中,材料去除方法為銑削,去除策略為層優(yōu)先,即在加工中依次去除不同槽中相同深度(即同一層)的材料。在去除每個(gè)槽特征每層材料后,4個(gè)力傳感器依據(jù)順序記錄變形力的變化,在該試件加工過(guò)程中共記錄308個(gè)變形力數(shù)據(jù)。B.2.4數(shù)據(jù)處理及殘余應(yīng)力場(chǎng)求解根據(jù)7.5.2中式(3)求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值,結(jié)果如圖B.3所示,根據(jù)7.6.7中式(9)所示的置信度估算13T/SCGS317002—2023方法計(jì)算得到的殘余應(yīng)力置信區(qū)間如圖B.4藍(lán)色陰影所示,圖中展示了68%置信水平下應(yīng)力場(chǎng)的置信區(qū)間。圖B.3示例加工現(xiàn)場(chǎng)及監(jiān)測(cè)變形力數(shù)據(jù)圖B.4求解初始?xì)堄鄳?yīng)力值14T/SCGS317002—2023(資料性)變形力法測(cè)量試件殘余應(yīng)力檢測(cè)報(bào)告鋁合金結(jié)構(gòu)件變形力法殘余應(yīng)力測(cè)量檢測(cè)報(bào)告編寫人員: 校對(duì)人員: 審核人員: 批準(zhǔn)人員:單位:15T/SCGS317002—2023C.1測(cè)試樣品及傳感器布置本次測(cè)量項(xiàng)目共一件測(cè)試樣品,待測(cè)樣品為7075鋁合金結(jié)構(gòu)件,尺寸為640mm×180mm×25mm,如圖C.1所示。材料的楊氏模量為71.7GPa,泊松比為0.3。該試件包含7個(gè)槽特征,每個(gè)槽的深度為22mm,腹板厚度為3mm,筋厚為4mm。圖C.1試樣零件圖考慮到試件材料的主要變形力方向,由3個(gè)固定裝夾單元和4個(gè)集成Z向力傳感器的變形力監(jiān)測(cè)單元對(duì)試件進(jìn)行約束。根據(jù)加工工藝要求,用3個(gè)固定裝夾單元約束試件的6個(gè)自由度,以保證加工基準(zhǔn)。測(cè)力點(diǎn)約束裝置、非測(cè)力點(diǎn)裝夾裝置、裝置布局如圖C.2所示,在測(cè)力點(diǎn)約束裝置中布置如圖C.3所示的單向力傳感器,力傳感器相關(guān)參數(shù)如表C.1。a)結(jié)構(gòu)件信息b)結(jié)構(gòu)件加工裝夾布局圖C.2試件信息及裝夾布局16T/SCGS317002—2023標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明:1—傳感器-1;2—傳感器-2;3—傳感器-3;4—傳感器-4;5—固定裝夾裝置;6—結(jié)構(gòu)件;7—固定裝夾;8—約束裝置。圖C.3力傳感器示意圖表C.1力傳感器相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)量程200kg精度等級(jí)0.1%FS額定輸出1.5mV/V~2.0mV/V零點(diǎn)輸出±0.04mV/V非線性±0.1%FS滯后±0.1%FS重復(fù)性±0.05%FS蠕變(30min)±0.05%FS溫度靈敏度漂移±0.1%FS/10℃零點(diǎn)溫度漂移±0.1%FS/10℃輸入電阻750Ω±50Ω輸出電阻700Ω±5Ω17T/SCGS317002—2023表C.1力傳感器相關(guān)參數(shù)(續(xù))相關(guān)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)絕緣電阻≥5000MΩ(50VDC)使用電壓5VDC~10VDC最大使用電壓15VDC溫度補(bǔ)償范圍-10℃~40℃工作溫度范圍-20℃~60℃安全過(guò)載120%FS極限過(guò)載150%FS電纜線尺寸Ф5×3m(定制)防護(hù)等級(jí)IP66C.2材料去除方法該試件包含7個(gè)槽特征,每個(gè)槽的深度為22mm,腹板厚度為3mm,筋厚為4mm。槽的加工順序2mm,第12層和第13層是剩余的材料。因此,共對(duì)7個(gè)槽進(jìn)行了77次加工操作。在本試驗(yàn)中,材料去除方法為銑削,去除策略為層優(yōu)先,即在加工中依次去除不同槽中相同深度(即同一層)的材料。在每個(gè)槽去除每