Методика измерения при сверлении глубоких отверстий

Метод измерения глубокого сверления (DHD) — это метод измерения остаточных напряжений , используемый для измерения зафиксированных и приложенных напряжений в конструкционных материалах и компонентах. ^{[ 1 ]} DHD — это метод полуразрушающей механической релаксации деформации (MSR), целью которого является измерение распределения напряжений вдоль оси просверленного эталонного отверстия. Этот процесс уникален своей способностью измерять остаточные напряжения на микроскопическом уровне с глубиной проникновения более 750 миллиметров (30 дюймов) без полного разрушения исходного компонента. Глубокое сверление считается глубоким по сравнению с другими методами сверления отверстий, такими как сверление центрального отверстия. ^{[ 2 ]}

Обзор техники

DHD включает в себя сверление отверстия на всю толщину компонента, измерение диаметра отверстия, трепанацию (вырезание круглой прорези вокруг отверстия) сердцевины материала вокруг отверстия и, наконец, повторное измерение диаметра отверстия. ^{[ 3 ]} Для конструкционных металлов процесс трепанации обычно выполняется с использованием электроэрозионной обработки (EDM), чтобы свести к минимуму возникновение дополнительных напряжений во время резки. Разница между измеренными диаметрами до и после снятия напряжения позволяет рассчитать исходные остаточные напряжения с использованием теории упругости . Анимационное видео на YouTube, объясняющее технику DHD, можно посмотреть здесь: YouTube: Техника глубокого сверления .

Процедура DHD

Диаграмма, показывающая этапы метода измерения остаточного напряжения при сверлении глубоких отверстий (DHD). — Этапы процесса измерения глубокого сверления (DHD).

Во-первых, эталонные втулки прикрепляются к передней и задней поверхностям компонента в месте измерения, чтобы свести к минимуму «раскачивание» и помочь совместить наборы данных во время анализа. Затем в компоненте просверливается контрольное отверстие; в конструкционных металлах обычно используется ружейная дрель из-за гладкого и прямого профиля отверстия, которое они производят. После сверления диаметр эталонного отверстия через определенные промежутки времени измеряют по всей длине и окружности измерительной и эталонной втулок воздушным зондом. Это тонкий стержень, на конце которого воздух под давлением подается через два небольших отверстия, расположенных перпендикулярно оси эталонного отверстия. Когда воздушный зонд перемещается через отверстие, изменения диаметра отверстия приводят к изменениям давления, которые обнаруживаются калиброванным датчиком для преобразования изменения давления в напряжение. ^{[ 4 ]} Цилиндр (т.е. сердечник) из материала, содержащий эталонное отверстие вдоль своей оси, затем вырезается (трепанируется) из детали с помощью электроэрозионной обработки (EDM), чтобы ослабить напряжения, действующие на эталонное отверстие. Наконец, диаметр эталонного отверстия повторно измеряется по всей толщине цилиндра и эталонных втулок, при этом измерения диаметра проводятся в тех же местах, что и измерения до трепанации.

Метод инкрементального DHD (iDHD)

остаточные напряжения высокой величины ( предел текучести Если в компоненте присутствуют >60%), то метод DHD можно модифицировать, чтобы учесть пластическое поведение во время процесса снятия напряжений. Риск пластической деформации во время релаксации напряжений является проблемой в методах сверления отверстий из-за коэффициента концентрации напряжений в отверстиях примерно x3, что эффективно «усиливает» релаксацию напряжений и увеличивает вероятность текучести. ^{[ 5 ]} Поэтому для iDHD процедура изменена и теперь выполняется поэтапно , при этом керн вырезается (трепанируется) в несколько этапов с увеличением глубины, а измерения диаметра выполняются между каждым этапом. Затем анализ включает эту последовательность дополнительных искажений для расчета остаточных напряжений высокой величины.

Интерпретация результатов

Метод DHD направлен на измерение распределения напряжений вдоль оси эталонного отверстия. ^{[ 6 ]} Взаимосвязь между первоначальными остаточными напряжениями, действующими на эталонное отверстие, и измеренными изменениями диаметра отверстия составляет основу анализа. Метод DHD использует упругий анализ для преобразования измеренных искажений эталонного отверстия в профиль остаточного напряжения. ^{[ 7 ]} Точность результатов зависит от источников ошибок измерения, а также от модуля упругости материала. ^{[ 6 ]} Более низкий модуль упругости приведет к большим искажениям при данном снятии напряжения, что означает более высокое разрешение измерения и, следовательно, более высокую достижимую точность. Метод DHD имеет номинальную точность ±10 МПа для алюминия, ±30 МПа для стали и ±15 МПа для титана. ^{[ 8 ]}

Оценка техники DHD

Преимущества и недостатки DHD по сравнению с другими методами измерения остаточного напряжения перечислены ниже.

Преимущества

Остаточные напряжения можно измерить на глубине до 750 миллиметров (30 дюймов).
Полуразрушающий метод – позволяет повторять измерения остаточного напряжения на разных этапах срока службы компонента.
Необходимое оборудование достаточно портативно, чтобы измерения можно было проводить как на месте, так и в лаборатории.
Измеряется двухосное распределение остаточных напряжений по толщине (например, σxx, σyy и τxy), включая градиенты напряжений. σzz можно измерить, но с дополнительными трудностями и меньшей точностью.
Остаточные напряжения высокой величины можно измерить с помощью iDHD, т.е. можно учесть пластичность.
Применимо как к простым, так и к сложным формам компонентов.
Применяется для широкого спектра материалов, как металлических, так и неметаллических.
Безразличен к зернистой структуре материала детали.
Сверление против вращения лучше всего обеспечивает точность.
Этот процесс происходит быстро относительно количества производимой информации.
Извлеченный цилиндр материала обеспечивает получение образца без напряжения для дальнейших испытаний и проверок материала.

Недостатки

Полуинвазивный – образовавшуюся дыру, возможно, придется повторно заполнить или предоставить макет.
Не применимо к компонентам толщиной менее 6 миллиметров (0,24 дюйма).

Валидация

Несколько исследований ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} были проведены для проверки метода DHD с использованием образцов с «известным» напряженным состоянием, путем приложения определенной нагрузки в пластическом диапазоне для создания внутреннего напряженного состояния в компоненте или путем нагружения компонента в упругом диапазоне на протяжении всего срока службы. измерения.

Например, компонент балки был пластически изогнут , чтобы создать известный профиль остаточного напряжения. ^{[ 12 ]} Эти остаточные напряжения затем были измерены с использованием нескольких методов измерения остаточных напряжений, включая нейтронную дифракцию, ^{[ 13 ]} разрезание, ^{[ 14 ]} Кольцевой сердечник, ^{[ 15 ]} Инкрементное сверление центрального отверстия, ^{[ 2 ]} Глубокое сверление и поэтапное глубокое сверление, а также моделирование с помощью программного обеспечения конечных элементов для обеспечения дальнейшей численной проверки. Корреляция между результатами методов сильная: DHD и iDHD демонстрируют ту же тенденцию и величины, что и численное моделирование, и другие экспериментальные методы. Результаты этого сравнения показаны на рисунке.

См. также

Ссылки

^ Х.Хитано и др. Исследование высокоточного измерения остаточного напряжения с помощью техники глубокого сверления. Журнал физики: серия конференций 379, 2012 г. [1]
^ Jump up to: ^а ^б ООО «ВЕКТЕР» - Сверление центральных отверстий [2] . Проверено 25 февраля 2014 г.
^ А.Х. Махмуди и др. Новая процедура измерения остаточных напряжений, близких к текучести, с использованием метода глубокого сверления. Экспериментальная механика, 2009 г. [3]
^ RHLegatt et al. Разработка и экспериментальная проверка метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений. Журнал анализа деформации для инженерного проектирования, 1996, 31: 177.
^ С.П.Тимошенко Механика материалов - Третье издание SI . Chapman & Hall 1991, 120-123, ISBN 0412368803 .
^ Jump up to: ^а ^б Практические методы измерения остаточных напряжений . Вайли 2013, 65-87, ISBN 9781118342374 .
^ RHLegatt et al. Разработка и экспериментальное обоснование метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений . Вайли 2013, 65-87, ISBN 9781118342374 .
^ VEQTER Ltd - Бурение глубоких отверстий [4] . Проверено 13 марта 2014 г.
^ Д.Джордж и др. Измерение напряжения по толщине с использованием небольших отверстий . Анализ штаммов, 37(2):125-139.
^ Д.Джордж и др. Применение метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений в трубах автофреттажа . ASME, Сосуды под давлением и трубопроводы 93-94.
^ Ф.Хосейнзаде и др. Применение метода глубокого сверления для измерения и анализа остаточных напряжений в стальных конструкциях с термоусадочной посадкой . Штаммовой анализ 2011, том 47, 412-426.
^ X. Фике и др. Измерение изгибных остаточных напряжений секции корпуса подводной лодки . ОМАЭ 2012, ОМАЭ2012-83378
^ VEQTER Ltd - Нейтронная дифракция [5] . Проверено 14 марта 2014 г.
^ VEQTER Ltd - Резка [6] . Проверено 14 марта 2014 г.
^ VEQTER Ltd - Кольцевой сердечник [7] . Проверено 14 марта 2014 г.

Внешние ссылки

ООО ВЕКТЕР - Глубокое сверление

[1] Х.Хитано и др. Исследование высокоточного измерения остаточного напряжения с помощью техники глубокого сверления. Журнал физики: серия конференций 379, 2012 г. [1]

[centrehole-2] Jump up to: ^а ^б ООО «ВЕКТЕР» - Сверление центральных отверстий [2] . Проверено 25 февраля 2014 г.

[3] А.Х. Махмуди и др. Новая процедура измерения остаточных напряжений, близких к текучести, с использованием метода глубокого сверления. Экспериментальная механика, 2009 г. [3]

[4] RHLegatt et al. Разработка и экспериментальная проверка метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений. Журнал анализа деформации для инженерного проектирования, 1996, 31: 177.

[5] С.П.Тимошенко Механика материалов - Третье издание SI . Chapman & Hall 1991, 120-123, ISBN 0412368803 .

[practicalRS-6] Jump up to: ^а ^б Практические методы измерения остаточных напряжений . Вайли 2013, 65-87, ISBN 9781118342374 .

[7] RHLegatt et al. Разработка и экспериментальное обоснование метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений . Вайли 2013, 65-87, ISBN 9781118342374 .

[8] VEQTER Ltd - Бурение глубоких отверстий [4] . Проверено 13 марта 2014 г.

[9] Д.Джордж и др. Измерение напряжения по толщине с использованием небольших отверстий . Анализ штаммов, 37(2):125-139.

[10] Д.Джордж и др. Применение метода глубоких отверстий для измерения остаточных напряжений в трубах автофреттажа . ASME, Сосуды под давлением и трубопроводы 93-94.

[11] Ф.Хосейнзаде и др. Применение метода глубокого сверления для измерения и анализа остаточных напряжений в стальных конструкциях с термоусадочной посадкой . Штаммовой анализ 2011, том 47, 412-426.

[12] X. Фике и др. Измерение изгибных остаточных напряжений секции корпуса подводной лодки . ОМАЭ 2012, ОМАЭ2012-83378

[13] VEQTER Ltd - Нейтронная дифракция [5] . Проверено 14 марта 2014 г.

[14] VEQTER Ltd - Резка [6] . Проверено 14 марта 2014 г.

[15] VEQTER Ltd - Кольцевой сердечник [7] . Проверено 14 марта 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]