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1、(10)申请公布号 CN 104236759 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104236759 A (21)申请号 201410487823.1 (22)申请日 2014.09.23 G01L 1/00(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 李晓星 葛宇龙 杨岩峰 郑航 (54) 发明名称 一种便捷的残余应力测量设备及方法 (57) 摘要 一种便捷的残余应力测量设备和方法， 利用 二维数字散斑相关方法对平面试件残余应力释放 前后的散斑图像进行相关计算， 得到释放前后的 区域应变场。试件的应力释。
2、放可以采用钻孔装置 或冲击压痕装置实现。根据钻孔法或冲击压痕法 的残余应力的理论公式， 计算得到试件的残余应 力大小。该系统能够根据不同的需求灵活选择应 力释放的方法， 同时具有高精度， 非接触， 操作便 捷等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104236759 A CN 104236759 A 1/1 页 2 本发明的目的是提供一种适用于工程现场和多种方法的便捷的残余应力测量设备和 方法。该方法的操作简便， 设备便携可以实。
3、现在不同的现场进行快速测量。 本发明的技术方案如下 ： 1. 一种便捷的残余应力测量设备， 其特征在于 ： 该设备包括用于钻孔法应力释放的小 型钻孔装置 (2)， 用于冲击压痕法的可调节冲击装置 (3)， 一台 CCD 电子显微镜 (4)， 安装有 “二维数字散斑残余应力测量软件” 的计算机 (5)， 圆形网格的标定板 (6)， 带有磁性三足支 架的固定平台 (7) 和照明灯具 (8)。上述钻孔 (2)、 冲击设备 (3) 和电子显微镜 (4) 可以从 固定平台 (7) 上便捷的安装和拆卸， 照明灯 (8) 具安装于固定平台 (7) 底部， 固定平台 (7) 利用磁性的三足可调节支架固定于金属。
4、试件(1)上。 所述的钻孔装置由电动推杆(9)、 电钻 (10) 和外壁 (11) 组成 ； 可调节的冲击压痕装置由撞杆 (12)、 弹簧 (13)、 力度调节器 (14)、 触发器 (15) 和外壁 (16) 组成。 组件 1 ： 钻孔法残余应力的释放装置， 由钻孔装置 (2) 与固定平台 (7) 组合而成 . 其中 钻孔装置中电动推杆 (9) 固定在外壁 (11) 上， 电钻 (10) 固定在电动推杆 (9) 的前端。外 壁 (11) 安装到固定平台 (7) 中， 并利用紧定螺钉 (17) 固定。 组件 2 ： 冲击压痕法残余应力场的叠加由冲击设备 (3) 和固定平台 (7) 组合而成。其。
5、 中冲击装置 (3) 的结构为力度调节旋钮 (14) 反扣在外壁上， 与撞杆 (12) 利用触发器 (15) 上的螺纹连接， 弹簧 (13) 的一端与外壁 (16) 固定， 另一端与撞杆 (12) 固定， 旋转调节旋钮 (14)， 撞杆 (12) 竖直移动， 拉动或压缩弹簧 (13) 以改变冲击力度 ； 拨动触发器 (15)， 螺纹 收缩释放撞杆 (12)， 冲击试件产生压痕。外壁 (16) 安装到固定平台 (7) 中， 并利用紧定螺 钉 (17) 固定。 组件 3 ： 散斑图像的获取电子显微镜 (4) 与固定平台 (7) 组合而成， 利用紧定螺钉固定 (17)。 2. 一种采用如要求 1 所。
6、述的残余应力测量设备的测量方法， 其特征在于该方法包括如 下步骤 ： 首先， 将固定平台 (7) 固定在试件 (1) 上， 打开照明灯， 使试件 (1) 上有均匀分布的光 照， 将电子显微镜(4)安装于固定平台(7)上， 调节显微镜(4)， 使得试件(1)区域能够清晰 地成像。将标定板 (6) 放置于显微镜 (4) 和试件在 (1) 之间， 对显微镜 (4) 进行标定。取 出标定板 (6)， 利用电子显微镜 (4) 拍摄残余应力场改变前的试件表面区域的散斑图像。 从固定平台 (7) 中取出电子显微镜 (4)， 将钻孔设备 (2) 或冲击压痕设备 (3)， 根据 不同的试件调节钻孔深度或是冲击设。
7、备 (3) 冲击力度， 钻孔或冲击改变试件上的残余应力 场。从固定平台上取出应力释放模块 (2)(3)， 重新安装电子显微镜 (4)， 拍摄试件表面残余 应力场改变后的散斑图像。 将残余应力释放前后的两幅图像， 利用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 进行二维应 变计算， 根据钻孔法和冲击压痕法残余应力的理论计算公式得到残余应力的大小。 本发明具有以下优点和效果 ： 本发明提供的测量设备和方法是基于数字散斑相关的光 力学测量方法， 结合钻孔设备和冲击压痕设备， 实现了多种测试方法的残余应力测量。 而且 操作简便， 设备便携， 可以在工程现场提供高精度的残余应力测量结果。 权 利 要 求 书 C。
8、N 104236759 A 2 1/4 页 3 一种便捷的残余应力测量设备及方法 技术领域 0001 本发明涉及小型便捷的金属板材残余应力测量装置， 该发明属于光测实验力学， 工程材料， 钻孔法残余应力测量和冲击压痕法残余应力测量。 技术背景 0002 构件在制造过程中， 将受到来自各种工艺等因素的作用与影响 ； 当这些因素消失 之后， 若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失， 仍有部分作用与影响残留在 构件内， 则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力是构件还未承受荷 载而早已存在构件截面上的初应力， 在构件服役过程中， 和其他所受荷载引起的工作应力 相互叠加， 使其产。
9、生二次变形和残余应力的重新分布， 不但会降低结构的刚度和稳定性而 且在温度和介质的共同作用下， 还会严重影响结构的疲劳强度、 抗脆断能力、 抵抗应力腐蚀 开裂和高温蠕变开裂的能力。因此对构件的残余应力测量是构件质量评价的重要指标。 0003 目前， 对残余应力的研究主要采用两种方法， 一种是通过实际测量的方法来获得 残余应力的大小及分布， 另一种是利用数值计算的方法对残余应力进行模拟计算。 0004 测量残余应力的方法按其对结构体是否有破坏， 有全破坏法、 半破坏法和无损法 等几种 ； 按其测试原理， 可分为机械测定法和物理测定法。机械测量方法主要包括截条法、 逐层剥层法、 Gunnert 切。
10、铣环槽法、 盲孔法、 钻阶梯孔法、 套取芯棒法和内孔直接贴片法等 ； 物理测量方法主要有 X 射线衍射法、 中子衍射法、 磁测法、 超声波法和固有应变法等。钻孔 法是一种半破坏残余应力测量方法， 利用钻孔使构件中的残余应力得到全部或部分释放， 根据释放应变和释放方法求出相应的残余应力大小。 冲击压痕法是一种无损的应力叠加方 法， 此方法和应力释放法相反， 采用特定压头压入材料表面， 通过压痕获得附加应力场， 再 根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力， 该方法的特点是非破坏性、 方便 性和准确性。 0005 工程中利用钻孔法、 冲击压痕法结合应变片的方法进行测量， 也用很多相关的测 。
11、量方法， 如残余应力测量装置 ( 中国发明专利申请公开说明书 CN200820090081.9) 和一种 残余应力测量方法 ( 中国发明专利申请公开说明书 CN01106312.2) 等。能够基本满足工程 上对残余应力的测量需要。 但由于应变片容易受到温度、 电磁环境和粘贴技术的影响， 测量 对环境和操作者的要求很高。数字散斑方法应用于残余应力的测量一定程度上简化了应 变片测量的步骤， 如一种实时残余应力测量系统及方法 ( 中国发明专利申请公开说明书 CN 201010587490)。但此类系统和方法的设备复杂， 不适用于工程现场的残余应力测量要求。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种。
12、适用于工程现场和多种方法的便捷的残余应力测量设 备和方法。该方法的操作简便， 设备便携可以实现在不同的现场进行快速测量。 0007 本发明的技术方案如下 ： 0008 一种便捷的残余应力测量设备， 其特征在于 ： 该设备包括用于钻孔法应力释放的 说 明 书 CN 104236759 A 3 2/4 页 4 小型钻孔装置 (2)， 用于冲击压痕法的可调节冲击装置 (3)， 一台 CCD 电子显微镜 (4)， 安装 有 “二维数字散斑残余应力测量软件” 的计算机 (5)， 圆形网格的标定板 (6)， 带有磁性三足 支架的固定平台 (7) 和照明灯具 (8)。上述钻孔 (2)、 冲击设备 (3) 和。
13、电子显微镜 (4) 可 以从固定平台 (7) 上便捷的安装和拆卸， 照明灯 (8) 具安装于固定平台 (7) 底部， 固定平台 (7) 利用磁性的三足可调节支架固定于金属试件 (1) 上。所述的钻孔装置由电动推杆 (9)、 电钻 (10) 和外壁 (11) 组成 ； 可调节的冲击压痕装置由撞杆 (12)、 弹簧 (13)、 力度调节器 (14)、 触发器 (15) 和外壁 (16) 组成。 0009 组件 1 ： 钻孔法残余应力的释放装置， 由钻孔装置 (2) 与固定平台 (7) 组合而 成 . 其中钻孔装置中电动推杆 (9) 固定在外壁 (11) 上， 电钻 (10) 固定在电动推杆 (9)。
14、 的 前端。外壁 (11) 安装到固定平台 (7) 中， 并利用紧定螺钉 (17) 固定。 0010 组件 2 ： 冲击压痕法残余应力场的叠加由冲击设备 (3) 和固定平台 (7) 组合而成。 其中冲击装置 (3) 的结构为力度调节旋钮 (14) 反扣在外壁上， 与撞杆 (12) 利用触发器 (15)上的螺纹连接， 弹簧(13)的一端与外壁(16)固定， 另一端与撞杆(12)固定， 旋转调节 旋钮 (14)， 撞杆 (12) 竖直移动， 拉动或压缩弹簧 (13) 以改变冲击力度 ； 拨动触发器 (15)， 螺纹收缩释放撞杆 (12)， 冲击试件产生压痕。外壁 (16) 安装到固定平台 (7) 。
15、中， 并利用紧 定螺钉 (17) 固定。 0011 组件 3 ： 散斑图像的获取电子显微镜 (4) 与固定平台 (7) 组合而成， 利用紧定螺钉 固定 (17)。 0012 一种采用如要求 1 所述的残余应力测量设备的测量方法， 其特征在于该方法包括 如下步骤 ： 0013 首先， 将固定平台 (7) 固定在试件 (1) 上， 打开照明灯， 使试件 (1) 上有均匀分布 的光照， 将电子显微镜(4)安装于固定平台(7)上， 调节显微镜(4)， 使得试件(1)区域能够 清晰地成像。将标定板 (6) 放置于显微镜 (4) 和试件在 (1) 之间， 对显微镜 (4) 进行标定。 取出标定板 (6)，。
16、 利用电子显微镜 (4) 拍摄残余应力场改变前的试件表面区域的散斑图像。 0014 从固定平台 (7) 中取出电子显微镜 (4)， 将钻孔设备 (2) 或冲击压痕设备 (3)， 根 据不同的试件调节钻孔深度或是冲击设备 (3) 冲击力度， 钻孔或冲击改变试件上的残余应 力场。从固定平台上取出应力释放模块 (2)(3)， 重新安装电子显微镜 (4)， 拍摄试件表面残 余应力场改变后的散斑图像。 0015 将残余应力释放前后的两幅图像， 利用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 进行二 维应变计算， 根据钻孔法和冲击压痕法残余应力的理论计算公式得到残余应力的大小。 0016 本发明具有以下优点和效果。
17、 ： 本发明提供的测量设备和方法是基于数字散斑相关 的光力学测量方法， 结合钻孔设备和冲击压痕设备， 实现了多种测试方法的残余应力测量。 而且操作简便， 设备便携， 可以在工程现场提供高精度的残余应力测量结果。 附图说明 0017 图 1 为本发明便捷的残余应力测量设备的组成部分。 0018 图 2 为电子显微镜拍摄应变场改变前的试件散斑图像的示意图。 0019 图 3 为利用钻孔法释放试件的残余应力的示意图。 0020 图 4 为利用冲击压痕法对试件的应力进行叠加的示意图。 说 明 书 CN 104236759 A 4 3/4 页 5 0021 图 5 为电子显微镜拍摄应变场改变后的试件散斑。
18、图像的示意图。 0022 图 6 为钻孔设备结构示意图。 0023 图 7 为冲击压痕设备结构示意图。 0024 图 8 为本发明中设备和方法的使用流程图。 0025 图中 ： 1- 残余应力试件 ； 2- 钻孔装置 ； 3- 冲击压痕装置 ； 4- 电子显微镜 ； 5- 有 “二 维数字散斑残余应力测量软件” 的计算机 ； 6- 圆形方阵标定板 ； 7- 有磁性三足支架的固定 平台 ； 8-LED照明灯 ； 9-电动推杆 ； 10-电钻 ； 11-钻孔外壁 ； 12-撞杆 ； 13-弹簧 ； 14-力度调 节器 ； 15- 触发器 ； 16- 冲击压痕外壁 ； 17- 紧定螺钉。 具体实施方。
19、案 0026 下面结合附图对本发明提供的残余应力测量设备和方法进行详细说明。 0027 如图2-图5所示， 本发明提供的便捷灵活的残余应力测量方法包括按顺序的下列 步骤 ： 0028 1) 准备试件对试件 1 进行局部的打磨， 依次对试件喷涂白色底漆和黑色散斑。 0029 2) 安装组件 3， 将组件 3 的三个磁性支架固定在试件上， 调节支架 8 高度和电子显 微镜 4， 打开 LED 照明灯 8， 使得显微镜 4 可以得到清晰图像。 0030 3) 将标定板 6 放置于显微镜 4 与试件 1 之间， 电子显微镜 4 拍摄标定板 6 图像， 利 用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 5 计算。
20、电子显微镜 4 的内参数。 0031 4) 取出标定板 6， 电子显微镜 4 拍摄试件 1 应力场改变之前的散斑图像。 0032 5) 利用钻孔法测量残余应力。从固定平台 7 中取出电子显微镜并安装钻孔设备， 完成组件2。 接通电源， 电动推杆的推杆产生直线移动， 推动电钻产生向工件的运动， 并将钻 头压向工件， 钻头与工件表面产生钻削力 ； 同时接通电钻电源开关， 电钻旋转， 钻头完成钻 孔工作 ； 通过电动推杆的位移控制， 控制钻孔深度。控制电动推杆的参数设置钻孔深度， 深 度应为 1.0-1.2 倍的钻孔直径， 要求轴向送进轻且慢， 以便有充分时间散热。 0033 6) 取出钻孔设备 2。
21、， 安装显微镜 4， 完成组件 3。拍摄试件 1 应力释放后的散斑图 像。利用利用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 5 计算钻孔区域周围的应变， 并根据理论 公式计算残余应力。 0034 7)利用压痕法测量残余应力。 从固定平台7中取出电子显微镜并安装冲击压痕设 备 3， 完成组件 2。根据不同材料， 通过调节冲击装置的力度调节旋钮调节冲击力度， 拨动触 发器冲击使得冲击杆在试件 1 上制造球形压痕在残余应力场中产生一个应变增量， 压痕的 深度应控制在 0.1mm-0.3mm。 0035 8) 取出压痕设备 3， 安装显微镜 4， 完成组件 3。拍摄试件 1 应力场叠加之后的散 斑图像。利用。
22、利用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 5 计算压痕区域周围的应变， 并根据 理论公式计算残余应力。 0036 利用 “二维数字散斑残余应力测量软件” 对测量数据进行处理， 并生成测量报告。 0037 本发明提出的设备和方法基于光力学测量方法， 结合便捷灵活的应力场改变设 备， 达到实现现场快速的试件残余应力测量的目睹。 0038 本发明主要原理描述如下 ： 基于非接触的二维数字散斑相关方法， 通过标定显微 镜的内参数， 根据具体改变应力场的方式， 利用应力场改变前的散斑图像为参考图像， 以改 说 明 书 CN 104236759 A 5 4/4 页 6 变后的图像为目标图像， 计算出试件残余应力的大小。 说 明 书 CN 104236759 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104236759 A 7 2/2 页 8 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104236759 A 8 。