屈服状态下盲孔法测量残余应力应变释放系数的数值模拟

摘要

盲孔法测量残余应力计算公式是在弹性条件下推导出来的，而有些构件中存在着很大的残余应力，已达到或超过材料的屈服极限σs，比如一些大型的焊接件，如桥梁、船舶等。这些构件在使用过程中，发生意外的破坏事故时，除了材料本身的结构和强度因素外，多数是由于构件内部残余应力的影响造成的。因此，对屈服状态下的残余应力测量技术和计算方法进行研究，意义非常重大。
　　 为了测量构件屈服状态下的残余应力，必须对盲孔法进行修正，以消除孔边塑性变形对测量精度的影响。本文介绍了几种孔边塑性修正方法。通过建立有限元模型，采用基于孔边形状改变比能S的A、B系数修正法，使盲孔法测量焊接残余应力的精度得到提高，并且扩大了应力值的测量范围。主要研究内容及结论如下：
　　 1、根据盲孔法测量残余应力的基本原理，标定应变释放系数A、B值。有限元模拟标定的A、B值与实验结果非常接近，A值误差小于6.56％，B值误差小于0.74％，可知利用有限元模拟法对应变释放系数进行标定是可行的。
　　 2、对建立的有限元模型施加较大的应力，当S＞0.34时孔边开始屈服，对S＞0.34的应变释放系数与S的关系图进行线性回归分析，得到用盲孔法测量屈服状态下的残余应力时，孔边发生塑变后应变释放系数的修正公式。经塑性修正，修正应力和施加应力之间的偏差均小于7.3％，较未修正前的计算应力和施加应力之间的偏差大幅减少。通过建立复杂应力状态下的力学模型进行验证，可知结合有限元数值计算的基于孔边形状改变比能S的A、B系数修正法简单易行、精度高，适合于实际的工程应用。
　　 3、采用有限元模拟法详细研究了不同的孔深与孔径比对应变释放系数A、B值的影响。通过分析可知，当某个构件的厚度较厚，可采用盲孔法进行标定并修正它的应变释放系数A、B值，此时所选的孔深与孔径比h/d等于1.25，这样所得A、B值比较准确。由于有限元运算软件的强大功能，根据它对盲孔法模型的模拟，可以得到每一个节点的应力、应变值，因此应变释放系数可以通过应变计中点应变法、应变计中点应力法和平均应变法三种方法去标定和修正。