.S1SJ4.團 體 標 準S3金屬材料 殘余應力場的測定 變形力法cd3發布 4實施中國圖學學會 發布中國標準出版社 出版S3目 次前言 Ⅲ引言 Ⅳ范圍 1規范性引用文件 1術語和定義 1符號和縮略語 1原理 2變形力測量原理 2殘余應力場推斷原理 2測量設備和材料 3力傳感器 3材料約束裝置 3測量流程和方法 3

…………………3被測構件準備 4獲取體積系數矩陣 5材料去除及變形力測量 5數據處理及殘余應力場求解 6殘余應力場測量誤差分析與結果評價 6應用示例 8檢測報告的編寫 8檢測記錄檢測報告

……………8……………8附錄A資料性)殘余應力變形力力學原理 9附錄B資料性)變形力法測量試件殘余應力示例 1附錄C資料性)變形力法測量試件殘余應力檢測報告 4參考文獻 9ⅠS3前 言本文件按照標準化工作導則 第1部分標準化文件的結構和起草規則的規定起草。本文件由南京航空航天大學提出。本文件由中國圖學學會歸口。本文件起草單位南京航空航天大學航空工業成都飛機工業集團有限責任公司中國商飛上海飛機制造有限公司。本文件主要起草人李迎光劉長青牟文平趙智偉張烘州李德華何方舟王鵬程郭浩楠郝小忠、黃信達李仁政陳智斌王恩寧陳俊松王寧坤。ⅢS3引 言殘余應力是產品構件外部載荷去除后留存在構件表面和內部的自相平衡的應力具有大小方向和位置三維空間矢量分布特征。產品殘余應力是產品構件的一個基本屬性存在于產品全生命周期對產品構件的強度抗斷裂性能疲勞強度構件尺寸穩定性抗腐蝕能力制造質量和服役工作可靠性等有著重要的影響對殘余應力場進行測量及分析是重要且必要的。本文件旨在高精度地測量大型試件的殘余應力場有利于提高產品的設計性能優化產品的加工工藝提高零件合格率更加準確的評估產品服役壽命能夠為高價值產品設備的性能和安全性設計提供強有力的技術支撐。本文件的發布機構提請注意聲明符合本文件時可能涉及到1與一種在零件加工過程中精確測量變形力的方法及裝置相關的專利的使用。本文件的發布機構對該專利的真實性有效性和范圍無任何立場。該專利持有人已向本文件的發布機構保證他們愿意同任何申請人在合理且無歧視的條款和條件下就專利授權許可進行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發布機構備案。相關信息可以通過以下聯系方式獲得:專利持有人姓名李迎光劉長青趙智偉郝小忠倪煬王樹國郭浩楠地址江蘇省南京市秦淮區御道街9號南京航空航天大學明故宮校區聯系人劉長青聯系方式n請注意除上述專利外本文件的某些內容仍可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。ⅣS3金屬材料 殘余應力場的測定 變形力法范圍本文件描述了采用變形力法測定金屬材料開敞性結構類試件內部初始殘余應力場的方法。本文件適用于采用變形力法進行金屬材料殘余應力的測定。規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構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應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。3機械制造工藝基本術語2半導體器件第3部分半導體傳感器壓力傳感器2機械產品結構有限元力學分析通用規則1技術產品文件產品殘余應力符號表示法術語和定義1界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

產品殘余應力s產品構件外部載荷去除后留存在構件表面和內部的自相平衡的應力。注具有大小方向和位置三維空間矢量分布特征。來源修改]變形力e工作在非切削狀態下因切削去除材料引起的不平衡應力場使工件產生變形趨勢在裝夾約束狀態下變形趨勢必然會在工作臺裝夾等約束位置產生力的變化將此產生等效變形趨勢的力定義為變形力。

變形力法ed通過監測試件材料去除過程中的變形力推斷試件內部殘余應力場的方法。殘余應力場d在產品構件外部載荷去除后整體構件內形成的一種具有三維空間矢量分布特征的物理量場。體積系數矩陣x材料在不同幾何狀態下不同區域不同方向的殘余應力值對變形力影響大小的系數組成的矩陣。1S3符號下列符號適用于本文件見表。表1符號符號單位說明0a試件初始殘余應力場Mv—幾何v的體積系數矩陣FvcN幾何v約束狀態的變形力a推斷的初始殘余應力值M—系列加工過程的幾何體積系數矩陣FN系列加工幾何狀態下所有約束點不同方向的變形力向量I—單位矩陣α*—超參數)—推斷殘余應力場的偏差D)—殘余應力推斷結果的方差矩陣π—圓周率GN重力原理變形力測量原理材料去除過程中試件殘余應力場的平衡被打破由于裝夾裝置的存在不平衡殘余應力場作用于裝夾裝置使裝夾裝置產生作用力抵抗變形從而保持試件平衡狀態。根據疊加原理變形力對變形的影響等效不平衡殘余應力場對變形的影響。通過傳感器測量約束點力的變化值即可獲得變形力。殘余應力場推斷原理獲得系列材料加工過程中產生的變形力利用殘余應力場變形力力學方程組如式所示求解殘余應力場的方法定義為變形力法原理如圖1所示。具體推導過程見附錄。式中:

0F 1)M系列加工過程的幾何體積系數矩陣;0試件初始殘余應力場;F系列加工幾何狀態下所有約束點不同方向的變形力向量單位為牛。2S3試件內殘余應力分布示意圖 變形力生成機理圖圖1變形力法測定殘余應力場原理測量設備和材料力傳感器力傳感器按照2選取力傳感器量程大于單個測力點約束裝置變形力幅值與單個測力點約束裝置所受加工過程附加力的和的0力傳感器分辨率小于量程‰。材料約束裝置試件約束裝置根據功能分為測力點約束裝置與非測力點裝夾裝置測力點約束裝置集成了力傳感器測量變形力時應采用鉸接方式避免測量點力矩的引入影響測力精度非測力點裝夾裝置保證試件測量過程中的定位與夾緊要求。測量流程和方法概述變形力法推斷初始殘余應力場的過程由被測構件準備獲取體積系數矩陣材料去除及變形力測量數據處理及殘余應力場求解等構成見圖具體示例見附錄。3S3圖2變形力法測量殘余應力場流程被測構件準備確定變形力測量位置變形力測量點的位置根據材料幾何選擇外圍角點或邊界點且應保證變形力的測量位置形成的區域包絡整體材料具體可依據專利”。安裝材料約束裝置根據不同試件結構選用不同的約束裝置布局方法以滿足變形力測量原則如框類梁類壁板類試件的材料選用材料中間區域固支約束測量點簡支約束的布局。安裝力傳感器力傳感器通過連接元件與試件測量點形成簡支約束。應根據變形力方向確定力傳感器測量方向宜使用多向力傳感器結構件安裝示意圖如圖3所示。4S3標引序號說明:力傳感器;殘余應力;非測力點裝夾裝置;4被測構件;測力點約束裝置;6結構件。獲取體積系數矩陣

圖3結構件安裝示意圖體積系數矩陣通過有限元計算獲得有限元計算應按照2給出的方法計算有限元計算參數至少應包括試件楊氏模量泊松比密度。根據有限元模型計算每個區域的單位殘余應力對測量點的變形力的影響系數并根據影響系數組裝體積系數矩陣。通過有限元仿真方法計算體積系數矩陣時應以完整測量試件形狀建立有限元模型試件設置為彈性體應設置密度楊氏模量泊松比3個材料參數網格大小根據實際試件與殘余應力重構精度決定宜小于5并采用結構化網格仿真得到的變形力應至少保留3位有效數字。通過施加固支約束的方法模擬非測力點裝夾裝置。根據實際情況使用彈簧單元模擬測力點簡支約束。體積系數矩陣的獲取應根據試件材料去除過程和材料去除順序建立分析步通過生死單元法模擬材料去除過程每個分析步對應1個去除材料后的幾何并在模型上施加不同的應力場分別進行仿真。仿真完成后根據仿真結果計算每個分析步中的幾何對應的體積系數矩陣Mv組合后即可得到全局幾何體積系數矩陣M。體積系數矩陣數據排布格式為仿真模型數量分析步數變形力監測點個數。材料去除及變形力測量根據實際加工需求去除材料每去除一個特征或一層材料可測量一組變形力。材料去除加工參數的選擇應減小附加殘余應力的引入。測試環境宜在室溫5℃下溫度波動小于5℃。5S3變形力測量應在試件不加工的狀態下進行通過和變形力監測傳感器初始狀態求差獲得變形力且應減小環境附加影響如材料碎屑冷卻液等影響。通過多次材料去除過程得到一組變形力測量值F。實際環境中變形力是一種集中力所以變形力監測區域的變形力監測裝置應構成簡支約束以監測變形力。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現變形力精確監測的前提。在加工過程中裝夾裝置是試件約束的主要組成部分。為實現加工過程中變形力的監測作為定位固定增強工件剛度的裝夾裝置不僅要滿足變形力監測的約束條件充分反映試件的變形狀態同時需要保證試件加工基準。為精確測量變形力使變形力能夠充分等效不平衡殘余應力場對變形的影響變形力測量過程符合以下要求:測量方向條件變形力測量方向根據工件的主變形方向確定使不同位置監測的不同方向變形力滿足變形力精確測量條件;裝夾包絡約束變形力監測裝置宜布置于試件外圍且所有監測裝置形成的包絡面應包絡試件幾何;局部變形約束變形力監測過程中工件弱剛性部位等容易發生局部變形的地方需布置變形力監測裝置。數據處理及殘余應力場求解通過求解體積系數矩陣M的逆矩陣求解初始殘余應力值如式所示。=MF 2)式中:M1體積系數矩陣M的逆矩陣。當材料去除量較小時體積系數矩陣M為病態矩陣。變形力測量誤差可能導致應力場計算結果產生誤差。為減少以上效應可采用式所示的吉洪諾夫正則化方法。=MM1MF 3)式中:推斷的初始殘余應力值單位為兆帕;F測量得到的變形力單位為牛;超參數可通過廣義交叉驗證方法獲取最優超參數;I單位矩陣。殘余應力場測量誤差分析與結果評價殘余應力場測量誤差來源基于變形力的殘余應力測定方法的主要誤差來源有以下幾個方面殘余應力場的不均勻性體積系數矩陣求解誤差力傳感器測量誤差材料去除過程引起的誤差。體積系數矩陣求解誤差通過有限元求解體積系數矩陣時仿真模型的參數誤差網格劃分大小會造成體積系數矩陣的求解誤差。可通過細化網格使用更加準確的材料參數降低體積系數矩陣求解誤差。力傳感器測量誤差變形力測量誤差主要來源于力傳感器的誤差以及環境因素對變形力測量的影響。在測量過程6S3中可通過對力傳感器進行溫度補償在變形力測量前清理切屑切削液等方式降低力傳感器的測量誤差。材料去除過程引起的誤差切削殘余應力場材料去除過程中引入的附加殘余應力如切削殘余應力的過度引入將影響初始殘余應力場的推斷結果。可通過線切割高速加工等切削殘余應力較小的加工方法去除材料。重力場材料去除過程中隨著材料的去除試件重力不斷變化其影響了加工過程中變形力的測量精度和殘余應力場推斷效果根據式可減小重力場對應力場推斷影響的影響。式中:

0FG 4)G僅重力作用時在變形力監測點產生的力單位為牛。殘余應力場推斷結果評價殘余應力場推斷結果可以通過推斷偏差方差進行評價。推斷殘余應力場偏差估算推斷殘余應力場的偏差估算公式如式所示。=-*MMG1r=*MMG1M1F………5)式中:r真實殘余應力場。推斷殘余應力場方差估算推斷殘余應力場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實測變形力的單位權重方差采用最小二乘法估算;m測量的變形力的數量單位為個;n未知殘余應力場值的數量單位為個。推斷殘余應力場置信度估算n推斷殘余應力場置信度估算公式如式所示。n=i

-iDi

(Di() 9)仿真環境推斷殘余應力場結果分析及評價方法在理論環境中可以根據實際加工環境的約束條件在仿真環境中設置殘余應力場采集變形力推7S3斷殘余應力場最后通過均方根誤差等評價方法對比推斷殘余應力場與設置理論殘余應力場進而直接評價殘余應力場推斷結果。實際加工環境推斷殘余應力場結果評價方法實際加工環境推斷殘余應力場結果說明在實際環境中難以獲得真實的殘余應力值作為評價指標因此可以通過分析受殘余應力場直接影響的物理量評價推斷結果一般通過數值仿真環境實現殘余應力場預測變形力或變形量。基于后續加工變形力的推斷殘余應力場結果評價方法在實際環境中可以將變形力作為評價指標即使用推斷的殘余應力場預測試件后續加工操作中產生的變形力并將預測的變形力與監測的變形力進行對比間接評價殘余應力場推斷結果。基于后續加工變形量的推斷殘余應力場結果評價方法在實際環境中可以將變形量作為評價指標即使用推斷的殘余應力場預測試件后續加工操作中產生的變形量并將預測的變形量與監測的變形量進行對比間接評價殘余應力場推斷結果。測量停止判斷條件變形力測量值是否滿足推斷殘余應力場的推斷精度要求應根據已測量變形力組成的體積系數矩陣的條件數推斷結果收斂情況推斷結果置信度等條件判斷。建議以推斷的初始殘余應力場預測的后續加工的變形力作為判斷依據當用于推斷的變形力數量增加推斷的初始殘余應力場結果收斂預測的變形力誤差減少時可判斷殘余應力場推斷結果滿足需求。應用示例變形力法測量試件殘余應力示例見附錄B。檢測報告的編寫檢測記錄在殘余應力檢測過程中可以手動或自動記錄檢測結果檢測結果應包括檢測環境溫度試件材料、試件尺寸殘余應力檢測數值測力點約束裝置布置位置與非測力點裝夾裝置布置位置材料去除順序、材料去除量監測變形力數值等。檢測報告檢測報告內容一般包括檢測單位人員日期檢測環境溫度試件材料試件尺寸材料去除方法測力點約束裝置非測力點裝夾裝置測力點約束裝置布置位置非測力點裝夾裝置布置位置殘余應力檢測的具體數值等。變形力法測量試件殘余應力檢測報告示例見附錄。8S3附 錄A資料性)殘余應力場變形力力學原理e*Tee*e*Tee*T0e=*Tee*TNTeV V式中:

V………………1)*e 單元節點的虛位移單位為米;fe 單元節點外力單位為牛;*T單元的虛應變*應滿足*=B*e;σe 單元載荷引起的應力σe=DBδe其中D為彈性系數矩陣單位為兆帕0單元的殘余應力向量0xyzxyzσe ; σe=σσστττT單位為兆帕;0單元的殘余應力向量0xyzxyzNT 形函數;} —體積力此處為重力單位為牛;e —材料的體積微元。V代入式后得到式:VV*V

eBTDBδe=*Te+*T

eNTe+*

BT0e進一步方程兩邊略去*T得到式:eBTDBeδe=eeNTeeBe

……2)V( :

V V…………3)可簡化為式

4

ee e e e

…………( )( )

Kδ

g0

4式4包含殘余應力體積力的單元剛度方程。式中:e eeNTe單位為牛;V0e 單元殘余應力等效節點載荷e∫Beσe單位為牛V0e單元剛度矩陣eeBTDBe;e 單元節點位移單位為毫米。通過將式按照試件系統內單元的連接關系組裝集成從而得到試件某一幾何狀態v下的系統剛度方程如式:

vv v v v

…………( )式中:

KδFG0

5v系統節點位移單位為米;9S3約束力載荷即變形力v的反力v=v單位為牛;cccc體積力載荷單位為牛每平方米2;殘余應力等效載荷單位為牛每平方米2cccc系統剛度矩陣。考慮試件變形力測量裝置形成的簡支約束等邊界條件后可將剛度矩陣按照節點約束條件進行劃分因此可進一步拆分為以下形式不考慮重力等體積力的影響如式:v

vv

0

0v=

crvv= rσ =

………6)v

v0

0

σv式中:

r c

c0

c0 cvvvv根據節點約束條件劃分的子剛度矩陣;r c vrr0rvc

c非約束點的單元節點位移單位為米;殘余應力等效載荷單位為牛每平方米2;約束點的單元節點殘余應力等效載荷單位為牛每平方米2;約束力載荷單位為牛每平方米2。crrrc通過矩陣乘法約去系統節點位移后可進一步可得到變形力與殘余應力間的平衡方程如式crrrcv-vv0

…………7)cc將變形力數據代入式后試件初始殘余應力場0和變形力v的直接力學關系如式:cc式中:

0

…………8)crrrv體積系數矩陣v=vvvcrrr根據試件材料去除過程可得到系列加工時刻的殘余應力變形力方程。組合后可得到試件系列加工過程中的殘余應力場變形力方程組如式:

…………( )式中:

0F

9M系列加工過程的幾何體積系數矩陣M=M1M2…vT;cF系列加工幾何狀態下所有約束點不同方向的變形力向量=12…vT單位為牛。c0S3附 錄B資料性)變形力法測量試件殘余應力示例概述本附錄給出了變形力法測量5鋁合金試件殘余應力的示例。測量流程和方法準備被測構件被測構件說明驗證示例為典型鋁合金結構件尺寸為005。試件材質為5鋁合金。材料的楊氏模量為7泊松比為。該試件包含7個槽特征每個槽的深度為2腹板厚度為3筋厚為4。確定變形力測量位置在實際加工過程中4個變形力監測點安置在工件的轉角處包絡整體材料并形成簡支約束測量Z方向的變形力。安裝材料約束裝置和測力點約束裝置考慮到試件材料的主要變形力方向由3個固定裝夾單元和4個集成Z向力傳感器的變形力監測單元對試件進行約束。根據加工工藝要求用3個固定裝夾單元約束試件的6個自由度以保證加工基準。測力點約束裝置的概念圖如圖下端為力傳感器上端為鉸鏈連接裝置用于連接試件。在每個槽去除每一層材料后通過安裝在4個變形力監測裝夾裝置中的力傳感器記錄4個變形力數據監測裝置布局如圖所示。變形力監測裝置中集成的力傳感器測量范圍為分辨率為1。圖1測力點約束裝置1S3結構件信息 結構件加工裝夾布局標引序號說明:;;;固定裝夾裝置;結構件;固定裝夾;約束裝置。圖2示例試件信息及裝夾布局獲取體積系數矩陣根據加工過程中獲得的變形力數據的數量和5鋁合金材料殘余應力場的分布規律將其殘余應力場劃分為2個區域沿Z方向分為3層沿XY平面均勻分為4個區域。每個區域包含xy而在預拉伸的鋁合金材料中z和剪切應力可以忽略。該示例的體積系數矩陣M是通過有限元方法得到邊界條件與實際實驗環境中裝夾的約束相同。試件幾何模型來自試件的設計模型體積系數矩陣M由施加單位殘余應力得到的相應區域內不同方向殘余應力系數組成。體積系數矩陣M的規模為。材料去除及變形力測量槽的加工順序如圖中所示每個槽去除1層材料每個加工操作的切削深度為2第2層和第3層是剩余的材料。因此共對7個槽進行了7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。在去除每個槽特征每層材料后4個力傳感器依據順序記錄變形力的變化在該試件加工過程中共記錄8個變形力數據。數據處理及殘余應力場求解根據2中式求解初始殘余應力值結果如圖3所示根據7中式所示的置信度估算2S3方法計算得到的殘余應力置信區間如圖4藍色陰影所示圖中展示了8置信水平下應力場的置信區間。圖3示例加工現場及監測變形力數據圖4求解初始殘余應力值3S3附 錄C資料性)變形力法測量試件殘余應力檢測報告鋁合金結構件變形力法殘余應力測量檢測報告編寫人員:校對人員:審核人員:批準人員:單位:4測試樣品及傳感器布置

S3本次測量項目共一件測試樣品待測樣品為5鋁合金結構件尺寸為0m0m×5如圖1所示。材料的楊氏模量為7泊松比為。該試件包含7個槽特征每個槽的深度為2腹板厚度為3筋厚為4。圖1試樣零件圖考慮到試件材料的主要變形力方向由3個固定裝夾單元和4個集成Z向力傳感器的變形力監測單元對試件進行約束。根據加工工藝要求用3個固定裝夾單元約束試件的6個自由度以保證加工基準。測力點約束裝置非測力點裝夾裝置裝置布局如圖2所示在測力點約束裝置中布置如圖3所示的單向力傳感器力傳感器相關參數如表。 結構件信息 結構件加工裝夾布局圖2試件信息及裝夾布局5S3標引序號說明:;;;;固定裝夾裝置;結構件;固定裝夾;約束裝置。相關參數技術指標量程g精度等級1S相關參數技術指標量程g精度等級1S額定輸出50V零點輸出4V非線性1S滯后1S重復性5S蠕變0)5S溫度靈敏度漂移10℃零點溫度漂移10℃輸入電阻00Ω輸出電阻05Ω6表1力傳感器相關參數續

S3相關參數技術指標絕緣電阻00)使用電壓50C最大使用電壓5C溫度補償范圍0℃0℃工作溫度范圍0℃0℃安全過載0S極限過載0S電纜線尺寸3定制)防護等級6材料去除方法該試件包含7個槽特征