【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及金属材料内部残余应力分析，具体是一种通过层削法计算板材内部残余应力的新方法。
技术介绍
1、载荷作用下的构件，当某些局部的应力超过屈服极限时，这些部位将发生塑性变形，但构件的其余部分还是处于弹性变形范围。如果再将载荷解除，已经发生塑性变形的部分不能恢复到原来的尺寸，必将阻碍弹性变形部分的恢复，从而引起内部相互作用的应力，这种应力称为残余应力。
2、铝合金板材在生产过程中经历轧制、热处理、预拉伸等工艺，板材内部会产生残余应力。该应力随板材厚度变化，总体保持平衡，板材保持一定的外形尺寸。对于存在残余应力的板材试样，如果将试样的一个挤压表面加工掉一个薄层，剩余厚度板材试样的残余应力会重新分布，试样发生一定的弯曲变形以形成新的平衡。
3、层削法测试板材试样残余应力的原理如下：
4、以板材试样的一个轧制表面为参考平面，与参考平面相对的另一个轧制表面定义为层削面。逐层去除层削面的等厚薄层，在试样中间长度位置测量参考平面的变形挠度和试样厚度。根据材料的杨氏模量、泊松比，以及试样的变形挠度、试样厚度等，代入由挠度模型建立的公式，计算出试样及板材不同厚度下的残余应力，层削法（也称剥层法）在波音及空客的检测方法标准中都有运用。波音公司的bms7-323标准采用层削法检测航空板材纵向试样的加工变形挠度，以挠度值的大小判断产品是否合格，并不计算试样或板材的残余应力。
5、空客公司的aitm1-0040标准采用层削法测试试样的加工变形挠度，然后计算试样及板材内部的残余应力分布。空客公司的试
6、
7、
8、式中u（i）l为试样第i层材料纵向内应力，e为材料的弹性模量，为支撑距离（如图2中的 l），为试样铣削第i层前的挠度，为试样铣削第i层后的挠度（如图2中的ωn），为试样铣削第i层前的厚度，为试样铣削第i层后的厚度。为应力修正量，包括两个部分，一部分是被铣削层的弯矩释放引入的应力修正，一部分是被铣削层应力释放引入的应力修正。公式中的应力修正过于复杂且很难看出明确的物理意义。
技术实现思路
1、为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种通过层削法计算板材内部残余应力的新方法，它通过材料力学中矩形梁的挠度曲线公式，带入边界条件计算出矩形试样挠度曲线方程。并进一步推导出试样长度中点位置的挠度和弯矩之间的关系式。
2、随后根据此弯矩是由被铣削掉的薄层内的残余应力提供。而薄层内残余应力提供的弯矩可以通过薄层内的内应力及薄层厚度还有薄层与转动中心的力臂来表达，由此建立平衡关系式计算出薄层内的残余应力值。由于每次层削会对试样造成附加变形，因此需要进行应力修正。这些附加应力包括两个部分，一部分是剩余试样由于弯曲变形形成的应力，另一部分是由于被铣削的材料应力释放导致剩余试样对等释放的应力。
3、本专利技术为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
4、一种通过层削法计算板材内部残余应力的新方法：
5、1-试样类型
6、板材取样加工成矩形截面的棒状试样，矩形截面的试样尺寸假设长为 l，宽为 b，厚度为 t。
7、2-变形挠度计算
8、2.1-试样初始状态到加工掉第一层层削面的情况
9、将矩形截面试样放置到两端有支点的测量平台上，支撑距离为 l。层削法铣削层厚度尺寸示意图见图1，层削后试样的变形示意图见图2、 图1中t（0）为试样的初始厚度，t（1）为将第一层铣削后试样的剩余厚度，t（2）-t（10）依次类推。图2为铣削第n层时试样变形前后的外形，虚线为变形前的外形，实线为变形后的外形。ω（i）为铣削第i层以后试样中部的变形挠度。试样在层削面加工前后的形状变化如图3所示。图3中的实线为层削面加工之前的试样位置，虚线为加工掉层削面薄层之后的试样位置。
10、根据材料力学中矩形梁的挠度曲线方程：
11、（1）
12、式（1）中， ω为两支点中心位置的试样位移，也称为挠度， m为弯矩，e为弹性模量，i为矩形截面梁对中心轴z的惯性矩，c、d为积分常数。
13、根据图1中的坐标系，存在两个边界条件，即；。将这两个边界条件带入式（1）得，，，则挠度曲线方程为：
14、（2）
15、令，则式（2）可变形为：
16、（3）
17、由于板材试样初始为平直状态，因为铣削掉一个薄层之后才发生的弯曲变形，因此弯曲变形前是由被铣削掉薄层提供的平衡力矩m，而这个平衡力矩有薄层内的残余应力提供。设薄层内的残余应力为σ，试样铣削前的厚度为t（0），试样铣削第一个薄层后的厚度为t（1），则被加工掉的薄层残余应力产生的力矩为：
18、（4）
19、由于式（3）和式（4）的力矩m相等，因此将式（4）及代入式（3）可得：
20、（5）
21、2.2-试样加工掉第i层层削面的情况
22、设试样铣削前的厚度为t（i-1），试样中心挠度测量点的挠度为，试样铣削后的厚度为t（i），试样中心挠度测量点的挠度为。
23、试样加工掉第i层层削面，仍然服从矩形梁的挠度曲线方程，即式（3）仍然成立，但是此时的变形挠度为，惯性矩i如下：
24、（6）
25、则式（3）变形为
26、（7）
27、被加工掉的薄层残余应力产生的力矩为：
28、（8）
29、由于式（3）和式（4）的力矩m相等，因此将式（8）及式（6）入式（7）可得：
30、（9）
31、式（9）中为加工掉第i层层削面之前，第i层层削面内的残余应力。由于包含第i层的试样是由初始试样逐层铣削出从第1层至第i-1层之后得到，因此包含第i层的试样实际上是层削后的变形试样。由于每次剥除一层就会对第i层材料产生一个附加应力，因此式（9）计算的残余应力应该减去早期剥除层对第i层的附加应力之后才是试样最初的残余应力。这些叠加的附加应力包括两个部分，一部分是剩余试样由于弯曲变形形成的应力，另一部分是由于被铣削的材料应力释放导致剩余试样对等释放的应力。
32、可以按照如下方式计算：
33、图4为附加变形曲率半径计算示意图。由于去除第i层之前试样铣削前的厚度为t（i-1），试样中心挠度测量点的挠度为，试样中性层的曲率半径为ρ。则直角三角形oac之间存在如下关系：
34、（10）
35、将，，，代入式（10）可得：
36、（11）
37、由于矩形截面弹性梁存在如下关系本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种通过层削法计算板材内部残余应力的新方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种通过层削法计算板材内部...
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，程志远，宋文城，王玉玲，郭新汝，钟娟，王彦东，
申请(专利权)人：航鑫材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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