用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法

摘要

本发明公开了一种用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法，包括：采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件；若是则进行下一步骤；其中，模型法包括静力光弹性试验和/或离心载荷光弹性试验；采用电测法对构件的关键点进行定量精确验证，判断有限元计算结果是否准确。先采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件，再经电测法对构件的关键点进行精确定量验证，既全面验证了有限元计算结果，又对关键点的有限元计算结果进行精确定量验证，从而保证了有限元计算结果的验证完整及精确度高的效果，以确保了有限元方法计算得到构件的最大应力部位和最大应力值的科学性和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及应力检测领域，特别地，涉及一种用于构件应力检测的有限元计算结果的验 证方法。

背景技术

随着有限元法(FEM，FinteElementMethod)技术的快速发展，其在强度分析上占有越 来越重要的地位。但其计算结果是否正确，需要经过试验的验证，尤其对于新设计的受力复 杂的关键构件，计算得到的最大应力部位和最大应力值是否正确是设计人员最为关心的。

现有的常用验证方法为电测法，通过在真实试验件上粘贴应变计，用实测的结果与计算 结果进行比较，这种验证方法对一般构件都是有效的，但对新设计的构件、存在以下三个方 面的不足：

一是当构件存在接触应力、装配应力时，不能粘贴应变计导致不能进行直接验证；

二是当设计人员需要了解内部应力时，电测方法没有进行验证的手段；

三是电测方法主要验证局部测试点，不能进行完整应力场分布的验证。

因此，现有的电测法对有限元计算结果的验证不完整且不全面，目前还有另一种验证方 法，其使用模型法，通过制作光弹性模型，通过光弹性冻结试验得到模型的应力分布，再采 用相似原理转换成原型应力分布，这种方法成本比较低，但试验的精度不高，且模拟试验很 难做到严格相似。

发明内容

本发明提供了一种用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法，以解决现有的电测 法无法全面、完整验证有限元计算结果且模型法验证精度不高的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法，包括：

采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件；若是则进行 下一步骤；其中，模型法包括静力光弹性试验和/或离心载荷光弹性试验；

采用电测法对构件的关键点进行定量精确验证，判断有限元计算结果是否准确。

进一步地，采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件步 骤中，采用静力光弹性试验验证构件的应力分布，预设条件为光弹性试验结果的应力分布趋 势与有限元计算结果的应力分布趋势相同，且最大应力值误差不超过第一阈值。

进一步地，第一阈值为15％。

进一步地，采用模型法证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件步骤 中，采用离心载荷光弹性试验验证构件的应力分布，预设条件为光弹性试验结果的应力分布 趋势与有限元计算结果的应力分布趋势相同，且最大应力值误差不超过第二阈值。

进一步地，第二阈值为20％。

进一步地，判断有限元计算结果是否准确的步骤包括：

判断电测法获得的试验结果与有限元结算结果在关键点上的综合误差是否小于第三阈 值，若是则有限元计算结果可取，否则需修正有限元计算方法。

进一步地，对于静力试验，电测法对应的第三阈值为5％；

对于离心载荷试验，电测法对应的第三阈值为8％。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法，先采用模型法验证构件的有限 元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件，以定性验证有限元计算结果的正确性，再经 电测法对构件的关键点进行精确定量验证，既全面验证了有限元计算结果，又对关键点的有 限元计算结果进行精确定量验证，从而保证了有限元计算结果的验证完整及精确度高的效果， 以确保了有限元方法计算得到构件的最大应力部位和最大应力值的科学性和准确性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的优选实施例提供了一种用于构件应力检测的有限元计算结果的验证方法，以确 保有限元方法计算得到构件的最大应力部位和最大应力值的科学性和准确性。参照图1，本实 施例验证方法包括：

步骤S10，采用模型法验证构件的应力分布趋势；

步骤S20，判断模型法验证的构件的应力分布趋势与有限元计算结果的应力分布趋势是否 符合预设条件；若是则执行步骤S30；若否，则修正有限元计算方法并返回步骤S10；

步骤S30，采用电测法对构件的关键点进行定量精确验证；

步骤S40，判断有限元计算结果是否准确；若是则结束验证过程，若否则修正有限元计算 方法并返回步骤S10。

本实施例先采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件， 以定性验证有限元计算结果的正确性，再经电测法对构件的关键点进行精确定量验证，既全 面验证了有限元计算结果，又对关键点的有限元计算结果进行精确定量验证，从而保证了有 限元计算结果的验证完整及精确度高的效果，以确保了有限元方法计算得到构件的最大应力 部位和最大应力值的科学性和准确性。

本实施例模型法验证应力分布趋势分为常规静力光弹性试验和离心载荷光弹性试验两种 情况，主要针对进行应力测试的构件的应用场景选择相应的光弹性试验进行验证。

本实施例常规静力光弹性试验过程如下：

对于常规静力光弹性试验，本实施例选取设计人员关心的局部结构，按照原型：模型为1： 1的比例制作模型，若原型过大或过小时，模型选取奇数倍比例(譬如，3倍、5倍)进行缩 小或放大。优选地，本实施例在模型制作过程中采用真空浇注成型机(参照ZL20092031168.2) 及其浇注工艺(参照ZL201210146044.6)浇注毛坯，再通过机械加工方式加工试验用模型。 本实施例通过采用真空浇注成型机，使得模型的加工周期短，且加工成的光弹性模型内部力 学和光学性能好，且采用真空浇注成型机的浇注工艺，提高了原材料的纯度，避免了材料不 均匀，能够有效消除“云雾”和降低浇注的初应力，提高了光弹性模型内部力学和光学性能。 此外，本实施例的光弹性模型的真空浇注工艺方法利用真空浇注成型机自动完成，自动化程 度高，使得浇注成型的光弹性模型的几何尺寸准确，误差小，而且避免了人工参与而受浇注 过程中释放的有害气体对人体的损害。

接着选用预先加工好的模型加载装置的模块对光弹性模型进行加载，试验同时对2套光 弹性模型进行加载，对一套光弹性模型施加大载荷，对另一套光弹性模型施加小载荷。具体 地，一套载荷使3mm厚的切片出现的最大应力条纹值约为1级，另一套载荷使3mm厚的切 片出现的最大应力条纹值约为3级，载荷由有限元计算结果结合以往试验结果预估。通过三 维光弹性“冻结”试验，得到与有限元计算结果对应的应力值最大受力面的应力分布。

本实施例对于常规静力试验数据的分析处理如下：

先分析处理光弹性试验结果。根据有限元计算结果应力最大的受力面截取切片，两套模 型的取片位置和厚度相同(3mm)，在切片上选取相同位置相同数量的测试点。切片上各点的 应力差由下面公式计算得到。切点应力差所对应的应载荷为(P2-P1)，P2为大载荷，P1为小 载荷。

Δσ＝(n2-n1)f/d

式中Δσ为测点的应力差，f为冻结材料条纹值，n2为大载荷对应的条纹级数，n1为小 载荷对应的条纹级数，d为切片厚度。

处理后的光弹性试验结果与有限元计算结果绘制分布趋势图。对各点的结果进行比较， 并把它们各自的值及误差进行列表。当试验结果与有限元计算结果的分布趋势相同并且最大 应力值误差不超过15％时，光弹性试验验证阶段结束，进入电测法精确验证阶段。

当光弹性试验的分析处理结果不满足上述条件时，必须仔细查找原因，全面找出导致不 满足条件的因素并加以改进，修正有限元计算方法，并重新做光弹性试验验证。

本实施例离心载荷光弹性试验过程如下：

本实施例在离心载荷光弹性试验中，采用真空浇注成型机及其浇注工艺浇注毛坯，再通 过机械加工方式加工试验用光弹性模型，即与静力光弹性试验中采用的装置及工艺相同，在 此不再赘述。且采用模型混合加载装置对光弹性模型进行光弹性试验，得到与有限元计算结 果对应的应力值最大受力面的应力分布。本实施例所指模型混合加载装置是CN 201410197906.7公开的模型混合加载装置，具体内容参照该专利文献，在此不再赘述。

本实施例按照三维光弹性法的要求制作2套相同的光弹性模型用于离心加载用，另外制 作5套相同的局部模型用于辅助加载用。选用预先加工好的模型混合加载装置的模块对光弹 性模型进行加载，试验时对1套光弹性模型进行加载，试验转速为1000rpn-3000rpn，确保3mm 厚的切片出现的最大应力条纹值不低于1级。同时选用预先加工好的模型混合加载装置的模 块对两套辅助模型进行加载，一套载荷使3mm厚的切片出现的最大应力条纹值约为1级，另 一套载荷使3mm厚的切片出现的最大应力条纹值约为3级，载荷由有限元计算结果结合以往 试验结果预估，当模型种类多时，也可根据技术要求分批进行加载冻结。通过三维光弹性“冻 结”试验，得到光弹性模型和辅助模型对应有限元计算结果中应力值最大受力面的应力分布。

本实施例离心载荷试验数据的分析处理过程如下：

先分析离心载荷光弹性试验。当试验转速为3000rpn而3mm厚的切片出现的最大应力条 纹值低于1级时，试验数据只作为参考，不能作为依据(试验本身误差比较大)。当3mm厚 的切片出现的最大应力条纹值大于1级，有少量应力点存在初始应力条纹时，在对应的测点 上用辅助模型(在辅助模型上发现存在初始应力的测点较多，则试验无效，新的模型制作技 术在正常情况下能保证模型质量)的切片求出初始应力条纹值，并把该数值通过相似原理转 换为与离心载荷同等载荷下的初始应力条纹值，最后用离心载荷模型上切片的应力条纹值减 去转换后的初始应力条纹值，离心载荷光弹性模型切片上各点的应力条纹值由上述方法经过 修正后得到。

处理后的光弹性试验结果与有限元计算结果绘制应力分布趋势图。对各点的结果进行比 较，并把它们各自的值及误差进行列表。当试验结果与有限元计算结果的分布趋势相同并且 最大应力值误差不超过20％时，光弹性试验验证阶段结束，进入电测法精确验证阶段。

当光弹性试验的分析处理结果不满足上述条件时，必须仔细查找原因，全面找出导致不 满足条件的因素并加以改进，修正有限元计算方法，并重新做光弹性试验验证。

本实施例电测法对关键测试点进行定量精密验证过程如下：

根据有限元计算结果和模型法验证结果结合真实试验件的结构，确定至少3个关键测试 点粘贴应变计，最大应变值区域、应变集中区域和最小应力区域各取至少一个测试点(指在 能粘贴应变计的所有表面区域中挑选)，电测法验证的应变测试的结果在量上应较模型法验证 的应变测试结果与有限元计算结果更接近，如果真实情况相反，那么有限元计算方法仍然需 要局部改进。

通过电测法获得的试验结果与有限元计算结果进行比较，并把它们各自的值及误差进行 列表。在正常情况下，电测获得的试验结果与有限元计算结果的误差比模型法获得的试验结 果与有限元计算结果的误差小。如果出现异常情况，首先检查电测法的试验是否正常，当确 认无误后，重新试验，试验结果有良好的重复性，此时需要对有限元计算方法做局部调整。 如果误差较大，需要重新进行光弹性试验验证。

常规静力试验理想的结果是光弹性试验结果与有限元计算结果的应力分布趋势相同，电 测法获得的试验结果与有限元计算结果在关键测试点上的综合误差小于5％。

离心载荷试验理想的结果是光弹性试验结果与有限元计算结果的应力分布趋势相同，电 测法获得的试验结果与有限元计算结果在关键测试点上的综合误差小于8％。

本实施例验证有限元计算结果的方法使用现有设备、工艺和方法，它需要使用的专利技 术均为中国航空动力机械研究所所有。下面以航空发动机动力涡轮带冠叶片光弹性试验为例， 说明一个具体实施方法：

a)、利用真空浇注成型机及其浇注工艺和光弹性模型毛坯模具浇注光弹性模型毛坯。

b)、根据动力涡轮带冠叶片光弹性试验技术要求分别选取第一次设计和改进设计的一个叶 片作为试验用模型，按原型：模型＝1：3制作光弹性模型。

c)、选用模型加载装置的模块对两个光弹性模型加载3kg，同时采用圆盘标定材料条纹值， 选用模型混合加载装置的模块对模型加载进行“冻结”。冻结结束，把模型放置在光弹仪的暗 场中，获取等色线应力条纹图并读出设计人员关心测试点的应力条纹级数。使用同样的方法 加载9kg，获取其等色线应力条纹图并读出设计人员关心测试点的应力条纹级数。

d)、模型上各点的应力差由下面公式计算得到。切点应力差所对应的应载荷为6kg。

Δσ＝(n2-n1)f/d

式中，Δσ为测点的应力差，f为冻结材料条纹值，n2为大载荷对应的条纹级数，n1为 小载荷对应的条纹级数，d为对应测点的模型厚度。处理后的光弹性试验结果与有限元计算结 果绘制分布趋势图。对各点的结果进行比较，并把它们各自的值及误差进行列表。当试验结 果与有限元计算结果的分布趋势相同并且最大应力值误差不超过15％时，光弹性试验验证阶 段结束，进入电测法精确验证阶段。如不满足要求，必须分析具体原因并重新进行试验。

e)、采用电测法对部分测点进行精确定量验证。

根据有限元计算结果和模型法验证结果结合真实试验件的结构，从最大应变值区域、应 变集中区域和最小应力区域选取4个关键测试点粘贴应变计，电测方法获取所有测试点的应 力分布趋势与有限元结果相同，并且在数量上与有限元结果更接近，当真实情况相反时，需 对有限元计算方法做局部改进。

f)、根据光弹性试验结果和电测法的试验结果得出验证的结论。

g)、当试验结果证实了有限元计算结果有误，有限元计算方法需要完善时，有限元计算方 法必须修正，方法改进后，重新试验检验修正后的方法是否正确。

本实施例先采用模型法验证构件的有限元计算结果的应力分布趋势是否符合预设条件， 以定性验证有限元计算结果的正确性，再经电测法对构件的关键点进行精确定量验证，既全 面验证了有限元计算结果，又对关键点的有限元计算结果进行精确定量验证，从而保证了有 限元计算结果的验证完整及精确度高的效果，以确保了有限元方法计算得到构件的最大应力 部位和最大应力值的科学性和准确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。