三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法技术

三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，焊接前的预处理；焊接后，采用慢走丝对试板进行多次切割，一次切割方向垂直于试板的焊缝方向，并沿着中截面进行切割。对试板的切割面进行XJTU‑OM扫描，得到计算出的测量点云数据；利用建立的数据处理平台，对点云数据进行转正、去噪、位移计算、离散、边界条件输出。随后应力计算与分析，得到一次切割纵向残余应力分布。二次切割方向垂直于一次切割方向，且沿着中截面，并对二次切割后的切割面轮廓进行同样的扫描以及数据处理，将二次切割面轮廓数据作为边界条件进行应力计算，得到二次切割面应力弹性计算。本发明专利技术具有对焊接件多个残余应力分量测试具有重要的理论和工程价值的优点。

Three-dimensional Optical Profile Method for Measuring Residual Stress Components in Welding

【技术实现步骤摘要】
三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法
本专利技术涉及工程测量残余应力
，特别涉及三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法。
技术介绍
残余应力的测试发展至今，出现了针对不同工况下的数十种测试方法，分为机械(破坏性)测定法和物理(非破坏)测定法，其各自有优缺点。破坏性方法有盲孔法，切条法，弹性变形法等，其中采用较多的是小孔法，小孔释放法凭借着操作简单，适用于测量应力梯度变化较大的焊接构件，并且对构件破坏性小等优点，在近年来得到了普遍采用，已经成为了现场实测的标准方法。非破坏性方法包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等，它们的主要优点是无损检测，精度较高，非破坏性方法使用较多的是X射线衍射法。但这两种常用方法都测量的是表面残余应力，无法测量工件内部残余应力。而其他的内部残余应力测试方法，如逐层剥削法，裂纹柔度法可以测量厚板均匀残余应力分布状态，但对于应力梯度变化较大的焊接残余应力场，则不能准确测量出纵向应力和横向应力梯度，且复杂繁琐，而中子衍射法成本太高，耗时且受限于大尺寸构件。轮廓法在单次切割过程中只能获得所切割面的法向应力，但对于厚板的焊接应力问题往往涉及多个方向的残余应力。因此在测试时有必要考虑测量多个方向的残余应力，探究应力释放对于二次切割的影响。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术的目的在于提供三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，该方法操作简单，测试效率高，不受测试件厚度、组织以及应力分布梯度的影响，并能够测试焊接结构中多个方向的残余应力。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其步骤为：步骤一：焊接前，先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去除氧化膜并用丙酮擦洗干净，最后焊接；步骤二：对步骤一中焊后试板，采用慢走丝垂直于焊缝沿中间截面进行一次切割，对切割后试板的切割面进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两块试板分别为A、B；步骤三：建立数据处理平台，将步骤二中的点云数据，进行转正、去噪、位移计算、离散、边界条件输出，利用MATLAB自带的用户图形界面平台将以上的数据处理过程设计为GUI操作平台；步骤四：应力计算与分析：建立三维模型，利用拟合平均后的轮廓计算出有限元节点上的位移初始条件并反向加载到有限元模型上，另外在有限元模型上施加额外约束以防止模型发生刚性位移，计算得到一次切割残余应力分布；步骤五：将步骤二中的A板，采用慢走丝进行二次切割，切割方向垂直于一次切割方向，且沿中间截面，对二次切割后试板的切割面进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；步骤六：将步骤五中得到二次切割面的点云数据，进行如步骤三一样的数据处理，得到最终的轮廓数据；步骤七：建立一半模型，将二次切割面的轮廓数据作为边界条件进行应力弹性计算，并考虑一次切割对于二次切割面法向的应力分布，经应力重构计算得到二次切割横向残余应力分布。所述的步骤二中采用慢走丝线切割机床对焊接后的试板进行垂直于焊缝中截面的切割，慢走丝切割采用200μm直径的铜丝，在去离子水中慢速切割，切割速度为20mm2/min。所述的步骤二中将焊接试板两边夹具约束固定以保证切割过程中铜丝始终垂直于焊缝。所述的步骤二中XJTU-OM扫描之前，进行表面的清理工作，并在焊接试板表面平整出贴上10个左右标志点，便于扫描时对其识别，且不用对切割轮廓喷涂显像剂直接进行扫描。所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，采用八步标定法进行系统拍摄前标定，即要求标定板相对于摄像头的八个方位依次进行标定。所述步骤三中点云数据的处理，通过使用MATLAB删除扫描得到的点云数据中的环境杂点，依靠全局点进行坐标转正，并对初次去噪点云通过Lowess模型进行点云的拟合，同时去掉较大噪声点云。通过MATLAB设置网格大小，离散规律化坐标信息，点与点之间插值采用MATLAB自定义的四个点样条函数内插选项V4计算出结果。所述的步骤三数据处理平台的转正步骤为：平面内一点(X，Y，Z)，绕X轴旋转：(X，Y，Z)经过转换之后变为(X，Ycosθ+Zsinθ，Zcosθ+Ysinθ)，同理依次将该点分别绕Z轴与Y轴旋转；假定给两点A，B则可以通过向量计算求出该向量与某一坐标平面XOY，YOZ，XOZ的旋转角度θ，设点A为原点，则将B绕X轴旋转至ZB＝0，即：Zcosθ-Ysinθ＝0等式中θ即为后续点云旋转矩阵绕X轴旋转的角度，同样的过程对于点B绕Z轴旋转至YB＝0，同理可以求解出点云旋转绕Z轴旋转角度此时全局点旋转至ZOY平面。采用最佳拟合全局点(y，z)，并绕X轴旋转至Y＝0，旋转角为γ，此时全局点处于XOZ平面，则原始点云处于XOY平面，点云转正完成。具体计算如下：绕X轴旋转，Z＝0绕Z轴旋转，Y＝0绕X轴旋转，Y＝0P＝Polyfit(Cy，Cz，1)γ＝tan-1(-P)即实现点云坐标的转正；转正后的点云按照所需要的数据密度设置网格大小，离散规律化坐标信息，对于固定点Xi，Yi，求取其网格大小内点云偏差值Zi的平均值赋给Xi，Yi，网格大小决定了点云密度，网格越小，点云原始形貌信息表现越充分，但过于细的网格对于去噪效果不太明显，对于求取出的Xi，Yi与Xi+1，Yi+1，采用MATLAB自定义的四个点样条函数内插选项V4差值出Xi，Yi与Xi+1，Yi+1之间的数值。所述步骤四，应力计算与分析具体步骤过程如下：1)建立有限元模型：按照切割后的焊板尺寸(完整焊板的一半)建立模型，并划分均匀有限元网格，本研究所涉及到的焊接件模型网格尺寸均1mm，再输入板材的各项物理参数并对模型施加三点约束，最后导出为inp文件，2)施加边界条件：在EXCEL中对经过Matlab均值去噪后的位移数据的格式进行一定的排版，进而将其复制黏贴进上一步导出的inp文件中，3)进行弹性计算：将上一步添加了位移边界数据的inp文件导入至ABAQUS中，设置分析步，提交job，经过短暂的计算，即可进入ABAQUS后处理模块中观察分析结果。所述的步骤四、七中的模型均按照切割后的焊板尺寸建立模型。所述的步骤七中二次切割横向应力计算分为两个过程：首先进行第一切割面的应力计算，计算完成后利用生死单元处理将1/4模型“杀死”即第二次切割过程的实现，并得到一次切割后二次切割截面应力分布即为StepC。将第二切割面的位移边界导入，进行二次截面的应力反算即为StepE。在计算过程中两个过程依次进行，在第二次计算步骤中，将一次应力计算的应力场激活，即第一次应力计算得到的二次切割截面法向残余应力将作为第二次应力计算的预应力来加载。该过程即为面叠加过程，在第二次应力计算过程中，该截面一次切割后的二次切割截面应力也被作为边界条件，最后得到二次切割横向残余应力。本专利技术的有益效果：本专利技术中将三维光学测量技术与轮廓法相结合，并利用两次切割得到一种全新的多个残余应力分量的测试方法，轮廓法是近年来正在研究的一种非常适合于复杂的，空间变化较大的内部残余应力测试方法，将其与三维光学测量的原理结合应用于焊接件多个残余应力分量精确高效的测量，对焊接件多个残余应力分量测试具有重要的理论和工程价值。采用慢走丝线切割的原因是，加工过程中是线电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：焊接前，先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去除氧化膜，并用丙酮擦洗干净，最后焊接；步骤二：对步骤一中的焊后试板，采用慢走丝垂直于焊缝沿中间截面进行一次切割，对切割后试板的切割面进行XJTU‑OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两块试板分别为A、B；步骤三：建立数据处理平台，将步骤二中的点云数据，进行转正、去噪、位移计算、离散、边界条件输出，利用MATLAB自带的用户图形界面平台将以上的数据处理过程设计为GUI操作平台；步骤四：应力计算与分析：建立三维模型，利用拟合平均后的轮廓计算出有限元节点上的位移初始条件并反向加载到有限元模型上，另外在有限元模型上施加额外约束以防止模型发生刚性位移，计算得到一次切割面法向残余应力分布；步骤五：将步骤二中的板A，采用慢走丝进行二次切割，切割方向垂直于一次切割方向，且沿中间截面，对二次切割后试板的切割面进行XJTU‑OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；步骤六：将步骤五中二次切割后切割面点云数据，进行如步骤三一样的数据处理，得到最终的轮廓数据；步骤七：建立一半模型，将二次切割后切割面的轮廓数据以及一次切割对于二次切割面法向的应力分布作为边界条件，计算得到二次切割横向残余应力分布。...

【技术特征摘要】
1.三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：焊接前，先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去除氧化膜，并用丙酮擦洗干净，最后焊接；步骤二：对步骤一中的焊后试板，采用慢走丝垂直于焊缝沿中间截面进行一次切割，对切割后试板的切割面进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两块试板分别为A、B；步骤三：建立数据处理平台，将步骤二中的点云数据，进行转正、去噪、位移计算、离散、边界条件输出，利用MATLAB自带的用户图形界面平台将以上的数据处理过程设计为GUI操作平台；步骤四：应力计算与分析：建立三维模型，利用拟合平均后的轮廓计算出有限元节点上的位移初始条件并反向加载到有限元模型上，另外在有限元模型上施加额外约束以防止模型发生刚性位移，计算得到一次切割面法向残余应力分布；步骤五：将步骤二中的板A，采用慢走丝进行二次切割，切割方向垂直于一次切割方向，且沿中间截面，对二次切割后试板的切割面进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；步骤六：将步骤五中二次切割后切割面点云数据，进行如步骤三一样的数据处理，得到最终的轮廓数据；步骤七：建立一半模型，将二次切割后切割面的轮廓数据以及一次切割对于二次切割面法向的应力分布作为边界条件，计算得到二次切割横向残余应力分布。2.根据权利要求1所述的三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，所述的步骤二中采用慢走丝线切割机床对焊接后的试板进行垂直于焊缝中截面的切割，慢走丝切割采用200μm直径的铜丝，在去离子水中慢速切割，切割速度为20mm2/min；所述的步骤二中将焊接试板两边夹具约束固定以保证切割过程中铜丝始终垂直于焊缝。3.根据权利要求1所述的三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，所述的步骤二中XJTU-OM扫描之前，进行表面的清理工作，并在焊接试板表面平整出贴上10个左右标志点，便于扫描时对其识别，且不用对切割轮廓喷涂显像剂直接进行扫描。4.根据权利要求1所述的三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，采用八步标定法进行系统拍摄前标定，即要求标定板相对于摄像头的八个方位依次进行标定。5.根据权利要求1所述的三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，所述步骤三中点云数据的处理，通过使用MATLAB删除扫描得到的点云数据中的环境杂点，依靠全局点进行坐标转正，并对初次去噪点云通过Lowess模型进行点云的拟合，同时去掉较大噪声点云，通过MATLAB设置网格大小，离散规律化坐标信息，点与点之间插值采用MATLAB自定义的四个点样条函数内插选项V4计算出结果。6.根据权利要求5所述的三维光学轮廓法测试多个焊接残余应力分量的方法，其特征在于，所述的步骤三数据处理平台的转正步骤为：平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷咸青，何向前，牛靖，梁晋，张建勋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61