一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法。當(dāng)含有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂模型加載后，缺陷部位出現(xiàn)變形，通過對環(huán)氧樹脂模型進(jìn)行可控的加溫、恒溫、加載和降溫，將內(nèi)部三維變形固化，之后再從模型中切取薄片，并進(jìn)行拋光處理。然后，將切片升溫至環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)使其中的應(yīng)力得到充分釋放，從而使切片中的變形恢復(fù)至初始狀態(tài)，通過光學(xué)方法照射缺陷的應(yīng)力集中部位，獲取三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)部缺陷部位應(yīng)變奇異區(qū)的變形參數(shù)。本發(fā)明為測量的三維體內(nèi)部變形參數(shù)提供了一種有效實驗測試方法。
【專利說明】
一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于實驗力學(xué)中的實驗測試領(lǐng)域，具體涉及一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械零部件中缺陷的存在以及隨后的擴(kuò)展與增長經(jīng)常會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。為了在安全設(shè)計中確保結(jié)構(gòu)和零部件的強(qiáng)度，實際結(jié)構(gòu)物中缺陷附近高應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生的變形大小的確定，是結(jié)構(gòu)安全設(shè)計中的重要工作。
[0003]二維變形測量方法已經(jīng)比較成熟，但是，由于實際結(jié)構(gòu)物絕大部分為三維體，三維體內(nèi)部的變形測量非常重要。雖然采用理論方法和解析方法可進(jìn)行計算或數(shù)值模擬，但是在解決實際問題時，特別是在復(fù)雜邊界條件下，往往難于得到精確的數(shù)值解。另外，計算結(jié)果的正確性還必須通過實驗進(jìn)行驗證和確認(rèn)，但當(dāng)變形處于三維體內(nèi)部時，一般的實驗手段和實驗方法難于進(jìn)行定量測量。
[0004]為此提出一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法。通過對環(huán)氧樹脂模型進(jìn)行可控的加溫、恒溫、加載和降溫，將內(nèi)部三維變形固化，之后從模型中切取薄片、進(jìn)行表面拋光后，將薄片中的應(yīng)力釋放，使切片中的變形恢復(fù)至初始狀態(tài)，再通過光學(xué)方法照射切片上缺陷部位的應(yīng)力集中區(qū)域，獲取三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)部應(yīng)變奇異區(qū)的變形參數(shù)?；诒痉椒ǖ玫降臄?shù)據(jù)還可通過相似準(zhǔn)則推廣到其它金屬材料的三維結(jié)構(gòu)物內(nèi)部變形確定。因此，本發(fā)明提供了一種通過實驗手段獲取難于測量的三維體內(nèi)部變形的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法。將內(nèi)部帶有缺陷的環(huán)氧樹脂模型進(jìn)行升溫、恒溫，加載后降溫，使模型中產(chǎn)生的變形在降溫過程中固化，再通過從模型中切取薄片，并將該切片加溫到環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)，釋放被固化的應(yīng)力，使得切片中的變形還原到初始位置。使用發(fā)散光照射缺陷的應(yīng)力集中部位，獲取三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)部缺陷部位應(yīng)變奇異性參數(shù)，本發(fā)明為測量的三維體內(nèi)部變形參數(shù)提供了一種有效實驗測試方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法，包括:“環(huán)氧樹脂三維模型制做”、“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”、“切取、拋光三維模型切片”、“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”和“測量三維體內(nèi)部變形”五個實施步驟；
[0007]其中，
[0008]“環(huán)氧樹脂三維模型制做”是制做出帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂三維模型；
[0009]“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”的功能是將帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂三維模型緩慢加溫至環(huán)氧樹脂材料的高彈態(tài)溫度，并使其溫度保持在高彈態(tài)溫度，待三維模型內(nèi)部溫度逐漸達(dá)到與外部一致之后，對三維模型進(jìn)行加載，使其產(chǎn)生變形，當(dāng)三維模型內(nèi)部變形穩(wěn)定之后，控制降溫速率使環(huán)境溫度緩慢降至室溫，于是三維模型中的變形被固化定型；
[0010]“切取、拋光三維模型切片”的功能是:為了獲取內(nèi)部變形信息，從三維環(huán)氧樹脂模型中切取帶有固化變形的模型切片，并經(jīng)過拋光使其表面成為鏡面反射面狀態(tài)，為后續(xù)的內(nèi)部變形測量做準(zhǔn)備。
[0011]“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”的功能是將拋光過的模型切片緩慢升溫，加熱至環(huán)氧樹脂材料的高彈態(tài)溫度，使模型切片內(nèi)部被固化的應(yīng)力在高溫下得到充分釋放，位移恢復(fù)到初始位置，從而產(chǎn)生反方向面外變形。
[0012]“測量三維體內(nèi)部變形”的功能是使用光測方法對模型切片表面出現(xiàn)的變形進(jìn)行定量測量。通過對模型不同部位的切片進(jìn)行測量，可獲得三維體內(nèi)部不同部位的形變信息。
[0013]其中，所述的“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”的實現(xiàn)方法和具體步驟如下:
[0014]將已加工好的環(huán)氧樹脂模型放入溫度可控的溫箱中，從室溫開始逐漸加熱到環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)溫度115°C，為了使三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)、外溫度均勻一致，在溫度達(dá)到材料高彈態(tài)溫度115°C之后，恒溫3個小時再施加載荷。環(huán)氧樹脂材料在高彈態(tài)下會呈現(xiàn)出完全彈性的性狀，加載后其變形迅速改變，很快達(dá)到最大值。為了使變形能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，再保持115°C的恒定溫度10個小時，之后控制溫箱內(nèi)的溫度使其以非常緩慢的速率下降，經(jīng)過90小時之后降至25°C的室溫環(huán)境，此時三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)的變形會被固化定性，而且進(jìn)行機(jī)械加工也可以保持內(nèi)部特性不變化。但是，特別需要在加工時注意進(jìn)行冷卻處理。
[0015]其中，所述的“切取、拋光三維模型切片”是為了獲得三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)部的局部變形。首先對所需部位進(jìn)行切割，在切取過程中，由于機(jī)械加工會造成兩個平面的平行度有差別，表面粗糙。因此需要對切片的表面打磨并進(jìn)行拋光處理，以利于后續(xù)的光學(xué)測量。打磨過程中使用粗細(xì)不等的砂紙，牌號由粗到細(xì)逐漸對切片表面實施打磨，并注意切片兩側(cè)的平行度，最后使用拋光膏進(jìn)行研磨，使表面呈現(xiàn)出鏡面狀態(tài)。
[0016]其中，所述的“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”流程中的升溫、保溫、降溫過程與“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”過程以及總時間相同。因為在高彈態(tài)溫度下環(huán)氧樹脂材料中的應(yīng)力會得到釋放，切片內(nèi)部的變形將向反方向移動，切片表面呈現(xiàn)出面外形變。切片表面面外形變的出現(xiàn)，為三維體內(nèi)部對應(yīng)的形變的定量測量提供重要條件。
[0017]其中，所述的“測量三維體內(nèi)部變形”的具體步驟是，將一束激光光源擴(kuò)束后，使用準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄?，?jīng)透鏡聚焦，于焦點的另外一側(cè)形成發(fā)散光路。使用發(fā)散光照射切片表面帶有缺陷的部位，由于經(jīng)應(yīng)力釋放后，切片表面缺陷部位存在面外變形，其應(yīng)力集中部位的光線會出現(xiàn)折射，使屏幕上出現(xiàn)亮區(qū)和暗區(qū)，測量亮、暗區(qū)域邊界Y方向的尺寸，經(jīng)計算可獲得表征切片表面應(yīng)力奇異區(qū)形變特性的定量參數(shù)。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0019](I)現(xiàn)有方法很難對內(nèi)部變形進(jìn)行直接測量，本發(fā)明提供了一種通過實驗手段獲取難于測量的三維體內(nèi)部變形的有效方法。通過高溫加載及應(yīng)力固化將三維模型內(nèi)部的變形固定，然后切取內(nèi)部切片，通過加溫至環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)使切片中的應(yīng)力得到釋放，切片中的變形會恢復(fù)至初始狀態(tài)，最終顯現(xiàn)出三維體內(nèi)部變形，并可直觀地進(jìn)行觀察和測量。
[0020](2)通過切取不同方向的切片，能夠獲得三維模型內(nèi)部多個不同方向的變形。[0021 ] (3)試驗方法相對簡捷，直觀性強(qiáng)，使用方便。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明給出一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法，此方法包括:“環(huán)氧樹脂三維模型制做”、“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”、“切取、拋光三維模型切片”、“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”和“測量三維體內(nèi)部變形”五個實施步驟。其中:
[0025]“環(huán)氧樹脂三維模型制做”步驟的功能是制做出帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂三維模型;環(huán)氧樹脂材料是一種高分子聚合物，也常作為一種粘接劑使用，在其中加入30 %固化劑可制作成三維模型。制做出三維模型之后，使用非常薄的圓形銑刀(0.1mm厚)可加工出如圖1所示的三維模型內(nèi)部缺陷。
[0026]“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”步驟的功能是將帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂三維模型緩慢加溫至該材料的高彈態(tài)溫度，并使溫度保持恒定在該溫度，待三維模型內(nèi)部溫度逐漸達(dá)到與外部一致之后對三維模型進(jìn)行加載，使其產(chǎn)生變形，當(dāng)三維模型內(nèi)部變形穩(wěn)定之后，緩慢降溫至室溫，使三維模型中的變形被固化定型。其具體步驟為:將已加工好的帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂模型放入溫度可控的溫箱中，從室溫開始緩慢加熱到環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)溫度115°C，為了使三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)外部的溫度均勻一致，待溫度達(dá)到高彈態(tài)溫度115°C之后，繼續(xù)恒溫3個小時再施加載荷。環(huán)氧樹脂材料在高彈態(tài)下會呈現(xiàn)出完全彈性的性狀，加載后其變形迅速改變，很快達(dá)到最大值。為了使變形能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，加載后再保持高彈態(tài)溫度10個小時，之后控制溫箱溫度使其以非常緩慢的速率下降，經(jīng)過90小時的等速率降溫之后，溫箱內(nèi)的溫度逐漸降至室溫環(huán)境，此時三維環(huán)氧樹脂模型內(nèi)的變形會被固化定性，并且即使進(jìn)行機(jī)械加工也可以保持材料內(nèi)部特性不發(fā)生變化；
[0027]“切取、拋光三維模型切片”步驟是為了獲取內(nèi)部變形信息，從三維環(huán)氧樹脂模型中切取帶有固化變形的模型切片，并經(jīng)過拋光使其表面成為鏡面反射面，為后續(xù)的變形測量做準(zhǔn)備。具體步驟為:首先對三維模型中的所需局部進(jìn)行切割，使用銑床和鋸切割均可，在進(jìn)行機(jī)械加工時需要特別注意對加工局部進(jìn)行冷卻處理，以避免機(jī)械加工過程中模型材料溫度過高。冷卻方式可使用風(fēng)冷或機(jī)油液體冷卻，不要使用水冷卻方式，防止材料吸潮。在對三維模型進(jìn)行切取的過程中，由于機(jī)械加工會造成兩個平面的平行度有差別，表面狀態(tài)粗糙。因此需要對切片表面進(jìn)行打磨和拋光處理，以利于后續(xù)的光學(xué)測量。打磨過程中使用粗細(xì)不等的砂紙，牌號由粗到細(xì)逐漸對切片表面實施打磨，打磨時需要注意保持切片兩面的平行度，最后使用拋光膏進(jìn)行研磨，使表面呈現(xiàn)出鏡面狀態(tài)，以利于切片表面的光反射；
[0028]“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”步驟的是將切片內(nèi)部的形變釋放出來的極為重要的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過加工后的環(huán)氧樹脂切片表面平整，是觀察不到任何位移的，由于應(yīng)力和位移被固化在切片之中，必須設(shè)法將其顯現(xiàn)出來。先將拋光過的模型切片從室溫開始逐漸加熱到環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)溫度115°C，此時模型切片內(nèi)部被固化的應(yīng)力在高溫下得到充分釋放，產(chǎn)生反方向變形，位移恢復(fù)到初始位置。此后繼續(xù)保持高彈態(tài)溫度13個小時，之后控制溫箱溫度使周圍的環(huán)境溫度以非常緩慢的速率下降，經(jīng)過90小時的等速率降溫之后，溫箱內(nèi)的溫度降至室溫環(huán)境，此時三維環(huán)氧樹脂切片上的形變會被固化，為下一步三維體內(nèi)部形變測量提供了重要條件。
[0029]“測量三維體內(nèi)部變形”步驟的功能是使用光測方法對模型切片表面出現(xiàn)的變形進(jìn)行定量測量。其具體步驟為:將一束激光光源擴(kuò)束后，使用準(zhǔn)直鏡使其變?yōu)槠叫泄夤饴罚缓蠼?jīng)過透鏡聚焦，于焦點的另一側(cè)形成發(fā)散光光路。將發(fā)散光照射切片表面帶有缺陷的部位，由于切片表面缺陷部位已經(jīng)出現(xiàn)變形，其應(yīng)力集中部位的入射光會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射到屏幕上后將出現(xiàn)亮區(qū)和暗區(qū)。測量亮、暗區(qū)域邊界的Y方向的尺寸，能夠獲取表征切片應(yīng)力奇異區(qū)形變特性的定量參數(shù)。另外通過對模型不同部位進(jìn)行切片加工、應(yīng)力釋放和測量，能夠得到三維體內(nèi)部不同部位的形變信息。
[0030]本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法，其特征在于:該方法包括如下步驟: 步驟一、“環(huán)氧樹脂三維模型制做”步驟:使用光彈性材料制做三維體模型，并加工制做出內(nèi)部缺陷； 步驟二、“環(huán)氧樹脂高彈態(tài)下的加載和形變固化”步驟:將帶有內(nèi)部缺陷的環(huán)氧樹脂三維模型加溫至該材料的高彈態(tài)溫度，并對模型進(jìn)行加載，使其產(chǎn)生變形，然后將溫度緩慢降至室溫，使三維模型中的變形被固化定型； 步驟三、“切取、拋光三維模型切片”步驟:為了獲取內(nèi)部變形信息，從三維環(huán)氧樹脂模型中切取帶有固化變形的模型切片，并經(jīng)過拋光使其表面成為鏡面反射體，為后續(xù)的內(nèi)部變形測量做準(zhǔn)備； 步驟四、“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”步驟:將經(jīng)過拋光后的模型切片緩慢升溫，加熱至環(huán)氧樹脂材料的高彈態(tài)，使模型切片內(nèi)部被固化的應(yīng)力在高溫下得到充分釋放，切片會產(chǎn)生與加載時相反方向的變形，最終位移恢復(fù)到初始位置，然后將溫度緩慢降至室溫，使切片上顯現(xiàn)的變形固化定型； 步驟五、“測量三維體內(nèi)部變形”步驟:使用光測方法對模型切片表面出現(xiàn)的變形進(jìn)行定量測量，可以通過對模型不同部位的切片進(jìn)行測量，獲得三維體內(nèi)部不同部位的形變信息。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法，其特征在于:所述的“高彈態(tài)釋放應(yīng)力，還原三維體內(nèi)部形變”步驟的具體實現(xiàn)過程如下: 將已加工好的環(huán)氧樹脂模型放入溫度可控的溫箱中，從室溫開始逐漸加熱到環(huán)氧樹脂的高彈態(tài)溫度115°C，然后恒溫13個小時，在高彈態(tài)溫度下環(huán)氧樹脂材料中的應(yīng)力會被全部釋放，切片上產(chǎn)生反方位移，即變形方向與加載時的方向相反，切片內(nèi)的位移將恢復(fù)到加載前的原始位置，之后控制溫箱內(nèi)的溫度，使切片周圍的環(huán)境溫度以非常緩慢的速率下降，經(jīng)過90小時之后降至25°C的室溫，切片上的變形將被固化保留，該切片變形為后續(xù)三維體內(nèi)部的形變測量提供了重要條件。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加熱應(yīng)力釋放測量三維體內(nèi)部變形的方法，其特征在于:所述的“測量三維體切片變形”步驟的具體實現(xiàn)過程如下: 將一束激光光源擴(kuò)束后，通過準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄?，之后?jīng)透鏡將平行光聚焦，于焦點的另外一側(cè)形成發(fā)散光路，使用發(fā)散光照射切片表面帶有缺陷的部位，由于切片表面缺陷處的應(yīng)變奇異區(qū)部位出現(xiàn)的變形，其應(yīng)力集中部位的光線會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，使屏幕上分別出現(xiàn)亮區(qū)和暗區(qū)，測量亮、暗區(qū)域邊界處Y方向的尺寸，可獲得表征切片表面應(yīng)力奇異區(qū)形變特性的定量參數(shù)。
【文檔編號】G01N21/88GK105928945SQ201610238115
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】吳大方, 商蘭, 王懷濤
【申請人】北京航空航天大學(xué)