[发明专利]基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法

摘要

本发明属于复合材料残余应力测量领域，涉及一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法。该方法首先针对待测复合材料板材确定测量位置和测量方向，并在相应的位置粘贴若干个应变片，然后将应变片与静态应变测试仪相连，将静态应变测试仪与计算机相连，利用计算机实时记录数据。使用数控切割机床在板材粘贴应变片的位置的背面进行增量切割，以固定的背吃刀量对板材进行多次切割，切割的深度随测量的目的而定，切割完成后可获取各个位置处的各应变片处随切割深度变化的应变值。接着利用有限元模型求得所有应变片位置处的应力分布，最后可以通过改变应变片粘贴和切割的方向对其他方向和位置进行相应的测量。

主权项

1.一种基于增量切割法的复合材料板材的残余应力分布测量方法，其特征在于，步骤如下：第一步：对复合材料板材进行增量切割试验获取试验数据(1)确定复合材料板材的测量位置和方向：将复合材料板材按轴对称划分为几个部分，作为待测区域；对于复合材料板材的纵向正应力分布，将复合材料板材分为上下两半部分，在上半部分对称布置多条水平切割线进行切割试验；对于复合材料板材的横向正应力分布，将复合材料板材下半部分分为左右两侧，在其中一侧对称布置多条竖直切割线进行切割试验；切割线的密度依据复合材料板材的尺寸选定，复合材料板材尺寸大，则相应增大切割线的密度；在各个待测区域的切割线上沿宽度方向打磨清洗，保证表面光滑无杂质后，在切割线上对称粘贴多个应变片，每条切割线上的多个应变片保持在同一水平线或同一竖直线上，应变片的侧面与切刀平面保持垂直；(2)将应变片与静态应变测试仪用数据线相连，将静态应变测试仪与计算机相连，利用计算机实时记录数据；(3)用数控切割机床夹具将被测的复合材料板材的端部夹紧，确保切割过程中应变片的数值变化均来自切割导致的残余应力重新分布而带来的复合材料板材变形；用数控切割机床在复合材料板材上粘贴应变片的位置的背面进行切割，切刀所在平面与应变片的横向中心线重合，以固定的背吃刀量对复合材料板材进行多次切割，切割的深度随测量的目的而定；(4)切割完成后获得随切割深度变化的应变值，对复合材料板材的其他待测区域依次进行切割试验，获取其他位置处的各应变片处随切割深度变化的应变值，用公式表示为：ε(ai)＝εi                         (1)其中，ai为第i次的切割深度，i为切割的次数，i＝1,2…..,n，ε(ai)表示切割深度为ai时测得的应变值，εi表示第i次切割的应变值；第二步：对实验数据进行处理，获取随切割深度变化的残余应力值建立尺寸和边界条件与被测复合材料板材相同的有限元模型，将勒让德多项式作为预应力施加到有限元模型中，模拟实际的切割过程，具体如下：(1)Cij表示当切割深度为ai、应力在深度方向上的函数为勒让德多项式pj(x)时，通过有限元方法计算所得的应变值，具体公式表达如下：Cij＝ε(a＝ai,σinitial(x)＝Pj(x))                  (2)其中，a为切割深度，x表示各切割深度数值，σinitial(x)为沿切割深度方向处的预应力函数表达式，pj(x)为各阶勒让德多项式在深度方向上的应力函数表达式；(2)求解各阶勒让德多项式的拟合系数Aj，公式为：{A}为Aj组成的列向量，用公式表示为：利用最小二乘法，{A}表示为：{A}＝([C]T[C])‑1[C]T{εmeas}                    (5)其中，j是勒让德多项式的阶数，j＝2,3...,m；{εmeas}是由测得的应变值形成的列向量，用公式表达为：[C]是由各应变值Cij组合形成的矩阵，用公式表示为：(3)通过勒让德多项式拟合随切割深度变化的残余应力σ(x)，即求出一个应变片处的随切割深度变化的残余应力分布，σ(x)表达公式为：第三步，利用第二步中的方法测量复合材料板材不同的待测区域中的所有应变片位置处的应力分布，最终通过对称性获取整个复合材料板材的残余应力分布。