钻孔法中光栅应变花与电阻应变花测量变形的比较

　　钻孔法是残余应力测量研究中最常见的实验方法.自从Mathar[1]首次提出内应力可以通过测量钻孔周围释放的变形来获得以后,这种方法就被广泛应用到不同材料和结构的残余应力的测量中.它通常和电阻应变测量技术结合在一起使用,利用电阻应变花可以测量出由于钻孔所释放的3个方向的应变,再由该3个应变换算其残余应力.美国ASTM还专门制订了相关标准[2].在电阻应变花测量的实际应用中存在一些缺点:①钻孔位置必须精确地处于应变花的中心,以避免钻孔偏心带来的误差;②利用应变片测量得到的应变值是其应变片长度范围内的平均值,而不是某一确定点的准确值;③很难避免钻孔时所带来的附加变形.为了克服这些不足,可采用光学方法,如:全息干涉测量法、数字散斑干涉测量法和云纹干涉测量法[3-5].它们的主要优点:快速的数据采集,无需准确定位钻孔,可以在很小区域上测量以及得到与钻孔相关的位移场信息.McDonach等[6]最先采用云纹干涉测量法进行测量.目前,在大部分云纹干涉测量系统中都是应用正交光栅.在正交光栅云纹干涉钻孔测量组合系统中,可利用得到的2个方向的条纹图(2个位移场:u和v)来计算出2个线应变和1个剪应变(εx,εy和γxy).

　　本文应用3个方向光栅(光栅应变花)代替正交光栅,在光栅应变花云纹干涉技术中,可以得到3个方向的位移场(u, s和v),通过该3个位移场计算出3个线应变(ε1,ε2和ε3).力求在结合钻孔法测试残余应力时得到的应变更为准确和更具敏感性.

　　1　测量原理

　　1.1　钻孔法

　　根据ASTM标准提供的测量方法,利用钻孔、电阻应变花法测量残余应力,贴在试件表面上的应变花位置如图1所示.当残余应力沿深度均匀分布时(见图2),钻孔后测量到的表面释放的应变为[2]

　　式中:-a为各向同性应力的校准参数;-b为切应力的校准参数;θ为应变片与x轴的夹角;E为弹性模量;ν为泊松比;σx、σy、τxy为残余应力.

　　校准参数-a和-b表示钻孔深度内单位应力所引起的释放应变,是基本上与材料无关的无量纲常数,但对于在薄试件上钻通孔和在厚试件上钻盲孔的情况稍微有些不同.

　　式(1)表明残余应力σx、σy、τxy可以通过测得的3个线应变得到.正因如此,3个应变片必须与x轴成不同角度,如θ=0°,45°,90

　　1.2　光栅应变花

　　在一般的云纹干涉测量中,利用正交光栅可得到2个方向的Moiré条纹图(u、v场),通过比较加载前、后的Moiré条纹图可以得出线应变分量εx,εy和切应变γxy[7].如图3所示,当一束激光射到光栅应变花表面上时便产生3个方向上的衍射,其分别与x轴成0°、45°和90°角.当在一片小区域范围内有对称衍射光束(如+1、-1或+2、-2)相交时,就可以在各自方向上形成干涉条纹.