预拉伸铝合金厚板内部残余应力分布的测试方法

    摘　　　要:根据弹性力学理论,针对铝板内部拉、压应力分布所产生的两种不同应变情况,推导出适应不同应变情况的改进剥层应变法·为验证该方法的准确性,通过有限元的方法对试件施加已知的初始内应力,运用生死单元技术模拟材料的去除,将得到的应变代入利用推导公式设计的VB数据处理系统中求出剥层深度应力·将求得的应力与初始已知的应力相比较,发现两者能很好地吻合,说明该方法可以用于预拉伸铝合金厚板内部残余应力的测量·

    整体结构件在飞机制造中被广泛采用,它的特点是尺寸大、壁薄、结构复杂[1],但板材内部残余应力引起的加工变形直接影响零部件的机械性能、疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性及使用寿命·世界各国进行了长期不懈的研究,先后提出10余种测试方法,但其主要都仅适合于测试构件表面或浅表层的残余应力[2-3]·随着工程需要,近几年先后提出了逐层钻孔法、剥层测试法、中子衍射法等测量材料内部残余应力的方法,但这些方法都存在局限性·裂纹柔度法[4]采用较复杂的多项式来表示残余应力,提高了测试精度,但求解过程过于复杂,没有得到广泛应用·厚板内部残余应力测量在工程中常用剥层法,其经典公式为[5]

式中,ε为测量得到的应变,是剥层深度t的函数ε(t)·因为拟合出的函数常常难以积分,在工程中很少直接应用·

    本文针对航空铝合金厚板2D70T351的特点,应用弹性力学理论推导出测量铝合金厚板内部残余应力新剥层应变法·

    1　新剥层应变法测试原理

    由于板的长度和宽度远远大于厚度,板在轧制变形、淬火、时效等处理时均对称于板的中面,故板内残余应力仅随板厚变化,在平行于中面的平面内均匀分布并对称于板中面[6],如图1所示·

    图1为铝合金板试样的1/4示意图·不失一般性,设板厚为H,沿厚度方向分布的残余应力为σ_x(z),σ_y(z),在剥层之前板处于平衡状态·当从距板上表面剥除厚度t的材料时,板的平衡状态被打破,在力和力矩作用下将发生拉(压)弯组合变形,在板的下表面x,y方向产生应变εx,εy·根据有限元计算分析,试样应力应变的计算可以简化为弹性力学中平面应力情况,此时有

z=0的平面位于(H-t)/2处;ε_x0,ε_y0分别是z=0处x,y方向的应变;ρ_x,ρ_y分别为板x,y方向的曲率·应力σ_x,σ_y为