增量钻孔法测量残余应力的厚度效应研究

摘要

残余应力对工程材料和结构部件具有重大的影响，是一个长期以来为人们所关心但又未完全解决的问题。钻孔法测量残余应力在理论上有着详尽阐述并在工业上得到广泛应用。积分法被人们所认为是最重要最基本的理论，是一种基于有限单元法标定的方法。在对现有多种有限元模型的阐述后，本文提出了一种新的有限元模型，它采用了一种更高效且应用更广的通用轴对称单元。以往所使用的谐单元只适合线弹性材料及正弦载荷，通用轴对称单元支持任何类型材料及各种加载工况，如几何非线性分析。通过方法改进，在较大厚度范围内研究了的残余应力标定系数并分析了产生厚度效应的尺寸范围。
　　残余应力一直是研究裂纹生长和断裂评估中的热点问题，通常既需要知道表面应力大小又要知道内部残余应力大小。然而，利用实验方法测试内部残余应力，特别是薄试件或涂层等内部残余应力时，采用增量钻孔技术的应变花钻孔法需要进一步改进，这也是本文研究的一个主题。目前国际上通用的ASTM E837标准测试中的标定系数通常只适用于厚试件。有研究指出，残余应力测量中的试件必须满足试件尺寸标准。迄今，对于相对薄试件，很少研究者做过这方面的深入探讨。能应用钻孔法测量的薄试件厚度范围，亦未明确。因为试件厚度对孔边附近区域的应变释放有明显影响，对测量的准确性有重要参考意义。如果标定系数与试件厚度不匹配，在计算残余应力时可能会造成相对较大的测量误差。为了减小测量误差，在进行较薄试件残余应力的测量计算时，须依据试件的厚度尺寸校正标定系数。
　　与传统电阻应变片测量钻孔所释放应变相比，现代光测力学方法具有两个明显的优势：其一，光学全场测量下测量位置可以根据需要任意选定而应变花测量时的测量位置是固定的；其二，光学全场测量下可以取点进行计算而不是如传统的取应变片覆盖下面积平均计算。由于光学和电学测量方法的不同，标定系数在选取上亦有所区别。基于均匀残余应力场和非均匀残余应力计算方案，对面平均法、中心线法和中心点法得到的标定系数进行了对比研究。另外，提出了增量钻孔法光学测量相应的拟合标定公式。改进的标定公式能够改善残余应力沿深度分布计算方案的性能和灵活性，提高工作效率。
　　本文还提出利用离散傅里叶级数重构技术进行相位提取，详细给出了基于傅里叶级数的图像重构方法的理论和数学实现途径。利用Matlab软件对所提方法的可行性和准确性进行了模拟验证。同时，该方法在投影条纹和云纹条纹等光学测量技术中对相位提取误差的抑制效果良好。此外，本文对机械振动引起的相移涟漪误差进行了详细的数学描述，基于傅里叶频谱研究了机械振动噪声对云纹干涉条纹灰度和相位提取的影响。
　　在面内三方向云纹干涉测量实验中，采用与试件厚度匹配的标定系数完成了应力计算，明显提高了应力计算值的准确性。薄试件主应力测量中由于标定系数不匹配引起的偏差约超过10%，通过本文系数校正将薄试件应力测量结果偏差缩小一半左右。最后，结合最小二乘拟合法研究了单轴拉伸试件因钻孔引起的轴向应变释放曲线、应力释放曲线，并与有限元模拟结果进行对比，结果吻合良好。

目录

声明

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 本文研究内容及创新

第二章 钻孔法的基本原理及三方向云纹干涉仪装置

2.1 引言

2.2 钻孔法残余应力测量的基本原理

2.3 云纹干涉方法和三方向云纹干涉仪

2.4 本章小结

第三章 钻孔法标定系数的有限元分析

3.1 引言

3.2 均布应力计算下标定系数

3.3 非均布应力计算下标定系数

3.4 厚度效应对测量影响的有限元研究

3.5 钻孔法光学测量通用标定公式

3.6 本章小结

第四章 相移条纹处理-傅里叶级数重构法

4.1 引言

4.2 相位提取算法误差分析

4.3 离散傅里叶级数重构法理论

4.4 Matlab模拟研究

4.5 投影栅线和投影云纹实验研究

4.6 本章小结

第五章 三方向云纹干涉钻孔法测量

5.1 引言

5.2 相移云纹干涉中振动误差补偿技术

5.3 厚度效应对应变释放、应力计算的影响

5.4 径向释放应变曲线与释放应力曲线

5.5 本章小结

全文总结

附录A 部分moiré条纹图像

插图索引

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参考文献

致谢

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