【案例】如何给飞机做CT？CEAM用了这个方法…

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2024-11-12 14:31

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深入理解飞机零部件加工制造后的应力分布信息，对航空工业有重大参考意义。无论是飞机的涡轮、机翼，还是高铁的轮轨等，里面都存在着应力——它看不见摸不着，但它决定了飞机、高铁等大部件的安全甚至寿命。如何把它研究清楚，成了从根本上避免灾难发生的关键。那么，什么是残余应力？

残余应力

残余应力 (Residual Stress) 是工件在制造过程中，受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响就是残余应力。

残余应力的危害会引起物体缓慢变形，导致物体尺寸的改变，导致机械加工工件尺寸不合格，仪器生产中导致整台仪器丧失精度成为废品，铸造锻造工件出现裂纹甚至断裂，同时对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命等，也有着十分重要的影响。

为进一步研究航空零部件残余应力的问题，南京航空航天大学（以下简称“南航”）在增材制造部件的变形和残余应力以及相关的热机械性能模拟预测领域做了大量的研究，这些工作非常耗时，不仅需要大量的模拟计算，还需要复杂的材料数据，包括升温条件下的材料行为数据（硬化模型）。南航致力于开发更简单的模拟方法——使用静态结构有限元分析预测部件中的形变和残余应力，但是该方法的进一步推广仍需高质量残余应力实验结果的验证。

图1：通过数值模拟得到的残余应力分布

为协助南航解决该科研困境，CEAM应力测量技术团队借助先进的轮廓法，以高分辨率和高精度测出了小型样件中的应力，共测量了9个具有不同层高的样件，取得显著成效。

图2：通过轮廓法测量得到的不同层高样品的残余应力分布

增材制造样件的晶粒尺寸和织构使得X射线衍射和中子衍射技术都很难达到应力测量要求，实验证明轮廓法是理想的增材制造样件应力测量方法。轮廓法测量所得到的二维应力分布可以有效的验证有限元模型并对模型任何位置的应力值进行确认。

轮廓法

轮廓法由美国劳斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的研究工程师 Prime于 2000 年在第六届国际残余应力会议上首先提出[1]。2001年Prime发表了首篇关于轮廓法的学术论文[2]。该方法具有理论简单，试验过程简洁，测试精度高等优点，已广泛应用于航空、航天、核电等工业结构件的应力测试。目前轮廓法测试残余应力是损伤测试方法中的研究热点。经过十余年的发展与完善，轮廓法已广泛的用于各类材料的残余应力测试，是目前测试精度最高的有损检测技术。

测试原理

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3：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。

轮廓法测量残余应力基于以下 3个假设：

(1) 完全弹性释放假设；

(2) 切割过程的“零应力”假设；

(3) 切割面理想平面假设。

完全弹性释放假设是所有机械释放法测量残余应力的基本假设之一，即假设材料去除导致的变形是完全弹性范围内的，没有塑性变形的产生。轮廓法的测试对象多为金属材料，由于电火花线切割加工是非接触式加工，在合适的加工参数下，导致的加工应力十分微小，可以忽略不计。同时电火花加工的材料去除量也非常小，可以保证切割面的理想平面假设。

测试精度

轮廓法对试样的尺寸外形没有严格限制，1~100mm 厚度甚至更大的试样均可测试。当试样截面尺寸小于 5×5mm2 时，测量位移信号需要高精度的设备。空间分辨率主要取决于测试点阵的密度和有限元网格的划分。轮廓法的测试精度根据不同的试样略有不同，最好可达到20MPa[6]。

轮廓法能够提供垂直于切割面的二维残余应力分布，适合测量试样外形尺寸复杂，应力梯度变化较大的试样。缺点是一次切割只能测量一个方向的残余应力，即垂直于截面方向，并且损坏试样。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(multiple cut contourmethod)。

针对传统轮廓法测试的局限性，Pagliaro提出通过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。