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【技术推介】轮廓法在航空航天残余应力测量中的应用与前景
发布时间：
2026-04-24 00:00
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引言：看不见的应力，决定航空部件的安全与寿命
飞机涡轮、机翼、起落架，高铁轮轨……这些关键部件在加工制造后，内部都存在着残余应力。它看不见、摸不着，却直接影响着结构的强度、疲劳寿命甚至安全。如何准确测量残余应力，成为从根本上避免灾难性失效的关键。
在众多残余应力测试技术中，轮廓法凭借其高精度、高分辨率、适用于复杂外形等优势，在航空航天、核电等领域迅速崛起。本文将从轮廓法的基本原理、测试精度、与南京航空航天大学的合作案例，以及其在航空航天领域的应用前景，为您全面解读这项技术。
什么是残余应力？为什么它如此重要？
残余应力是指工件在制造过程中，受到锻造、焊接、热处理、增材制造等工艺因素作用后，当外部因素消失，仍残留在构件内部的应力。
残余应力的危害：
-
引起物体缓慢变形，导致尺寸超差
-
降低疲劳强度和抗应力腐蚀能力
-
诱发铸造、锻造工件出现裂纹甚至断裂
-
影响整台仪器精度，造成废品
因此，准确测量残余应力，对于航空、高铁等高端制造业具有重大参考意义。
轮廓法：残余应力测试领域的“高精度利器”
轮廓法由美国劳斯阿拉莫斯国家实验室的工程师Prime于2000年首先提出[1]，2001年发表了首篇学术论文[2]。经过十余年发展，已成为目前测试精度最高的有损检测技术，广泛应用于航空、航天、核电等工业结构件的应力测试。
测试原理：
轮廓法的核心思想是：将试样沿待测截面切开，测量切割面因应力释放产生的轮廓变形，再通过弹性力学反推出原始残余应力。
具体步骤如下：
1.将含有残余应力的试样沿目标截面切开（如用电火花线切割）；
2.测量切割面因应力释放而产生的凹凸变形；
3.通过有限元计算，将变形量转换为原始残余应力分布；
轮廓法的理论基础是Bueckner[3-5]的叠加原理的一种变换：假设试样内部存在未知的残余应力 σx，如图1状态 A。试样沿着需要研究和评估残余应力的截面完整切开成为两半，由于应力释放并重新分布，切割面轮廓产生变形，如图1状态 B。施加外力将变形后的切割面恢复到切割前的平面状态，如图1状态 C。
图1：轮廓法测试原理
根据 Bueckner 叠加原理，状态A的初始残余应力等于状态B的自由应力状态与状态C的反向应力状态的叠加，如公式1所示。
σA(x,y, z) =σB(x,y, z) +σC(x, y, z) (1)
其中σ代表全部应力分量，通常试样在状态B的应力未知，但是在切割导致的切割面上，根据自由边界条件，应力σx, τxy, τxz=0. 因此公式1变为：
σA(x,y, z) =σC(x, y, z) (2)
即切割面状态A的应力等效于状态C的应力。
测试精度与优势 ：
- 适用范围广：试样厚度1~100mm甚至更大均可测试
- 空间分辨率高：取决于测试点阵密度和网格划分，精度可达20MPa[6]
- 适合复杂外形：能提供垂直于切割面的二维残余应力分布，尤其适用于应力梯度变化大的复杂构件
- 局限性：为有损检测，一次切割只能测量一个方向
轮廓法的改进：多次切割实现多方向应力测量
基于轮廓法的测量特点，Pagliaro[7-9]在Prime的基础之上，提出了基于多次切割和叠加原理的改进轮廓法，通过2次切割即可获得2个方向的残余应力，基于应力状态的假设，通过测量相应的变形轮廓即可获得3个方向的残余应力分布。
为了验证改进的轮廓法，Pagliaro等人设计了试验并进行了测试，同时采用中子射线衍射法、X射线衍射法和ESPI钻孔法进行了对比。试验结果表明，改进的轮廓法具有很好的测量精度，结合表层残余应力测试技术，具有广阔的应用前景。
CEAM案例分享：协助南航解决增材制造残余应力测量难题
南京航空航天大学在增材制造部件的变形和残余应力模拟预测方面做了大量研究。传统方法需要复杂的材料数据（如高温下的硬化模型）和大量计算。南航希望开发更简单的静态有限元分析方法，但亟需高质量残余应力实验数据来验证模型。
CEAM检测分析中心采用轮廓法，对9个不同层高的增材制造小型样件进行了高分辨率、高精度的残余应力测量，取得显著成效。
图2：通过数值模拟得到的残余应力分布
图3：通过轮廓法测量得到的不同层高样品的残余应力分布
为什么选择轮廓法？
增材制造样件中较大的晶粒尺寸和较强的织构使得X射线衍射和中子衍射等无损测量方法很难达到应力精准测量的要求，而盲孔法和深孔法等有损测量方法仅能获得样件中小区域的残余应力分布，难以获得工件二维平面内的应力分布信息。
使用轮廓法测量得到的二维应力分布可以有效地对有限元模型进行验证，并对模型任何位置的应力值进行确认，实验证明轮廓法是理想的增材制造样件应力测量方法。
取得的成效：
- 获得了清晰的二维残余应力分布图
- 有效验证了南航的有限元模型
- 可对模型任何位置的应力值进行确认
本案例充分验证了轮廓法在航空增材制造领域的独特优势：能够为工艺优化提供关键数据支撑，有效降低因形变导致的废件率，显著提升增材制造的可加工性与收益率。
轮廓法的应用展望
自2000年诞生以来，轮廓法已从实验室走向工程一线，成为航空、航天、核电领域残余应力测试的核心技术。随着零部件向复杂化、轻量化、增材制造化演进，残余应力问题愈发突出。
轮廓法凭借高分辨率二维应力分布，精准捕捉复杂几何中的应力集中区；对X射线、中子衍射难以测准的粗晶、强织构增材制造金属，具有不可替代性。同时，它为数值模型提供高精度验证数据，与X射线、钻孔法等表层技术互补，实现从表面到内部的完整应力表征。
展望未来，改进轮廓法的成熟将推动低成本、高效率的三维残余应力测量走向工程化，为航空发动机涡轮盘、机翼梁肋等关键部件提供安全评估的核心支撑。CEAM将持续深耕，以更精准、可靠的解决方案，守护高端制造业的安全与腾飞。
参考文献：
[1] M.B. Prime, A.R. Gonzales. TheContour Method: Simple 2-D Mapping of Residual Stresses. Proceeding of 6thInternational Conference on Residual Stresses, Oxford, U.K., 2000, 1: 617-624.
[2] M.B. Prime. Cross-sectional mappingof residual stresses by measuring the surface contour after a cut. Journal ofEngineering Materials and Technology, Transactions of ASME,2001, 123: 162–168.
[3] H.F. Bueckner. The propagation ofcracks and the energy of elastic deformation. Transactions of ASME, 1958,80:1225-1230.
[4] H.F. Bueckner. Novel principle forthe computation of stress intensity factors, Zeitschrift fuer AngewandteMathematik & Mechanik, 1970, 50(9):529-546.
[5] H.F. Bueckner. Field singularitiesand related integral representations, G.C Sih (ed). Mechanics of Fracture, 1973,1: 239-314.
[6] G.S. Schajer. Practical ResidualStress Measurement Methods. New Jersey: wiley-blackwell press, 2013, 109-138.
[7] P. Pagliaro, M.B. Prime, H.Swenson,et al. Measuring Multiple Residual-Stress Components Using the ContourMethod and Multiple Cuts. Experimental Mechanics, 2010, 50: 187-194.
[8] P. Pagliaro, M.B. Prime, J.S.Robinson, et al. Measuring inaccessible residual stresses using multiplemethods and superposition. Experimental Mechanics, 2011,51: 1123–1134.
[9] P. Pagliaro. Mapping multiple residualstress components using the contour method and superposition, [Ph.Ddissertation]. Palermo: Universitá degli Studi di Palermo, 2008.
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