使用增量钻孔法对实验参数对残余应力的测定的影响

摘要：

增量式钻孔法是确定复合层压板残余应力分布和大小的有效半破坏性技术。该方法提供对层压板的贯穿厚度中的层间和层间的残余应力分布的访问。正确应用该方法需要优化相关实验参数。 进行试验以研究两个实验参数的影响 - 每个钻孔增量的深度以及应变计相对于钻孔半径的相对位置的影响。开发用于校准系数的数值计算的快速自动方法增加了该方法的兴趣，同时扩展了被研究的实验数据范围。 结果清楚地表明，这些参数对残余应力梯度的确定具有明显的影响，特别是残余应力的大小和稳定性。

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1. 介绍

复合层压材料中的残余固化应力是密集研究的主题，特别是开发新的测量方法和改进现有的。文献中已经开发了许多实验技术来确定复合层压板的残余应力[1,2]。最广泛使用的技术测量不对称层压板的残余曲率[3]。 但它不能应用于对称的层压板，并且仅提供残余应力的全局方法。通过机械加工对基于双应力场的扰动的半破坏方法提供了层压板内应力梯度的访问。 这些包括合规方法[2]和增量钻孔法[4]。以前的研究[5]表明了钻孔方法测量复合层压板中残余应力的深度分布的能力。为了增强该方法，我们在本研究中提出，强调两个实验参数对通过增量钻孔法确定的双应力分布和振幅的影响。首先将研究钻孔增量的相对深度。 增量深度将相对于层厚度（每层一个增量，每层两个增量等）来确定。与材料表面上的应变计的位置相比，孔的相对直径将被调查。 如何确定实验参数的最佳值也将根据灵敏度和精度进行调查。

2.增量钻孔方法

增量钻孔方法包括使用连续的钻孔来破坏材料内部存在的应力平衡，并测量由不平衡引起的微应变。使用3D有限元模拟计算的数值校准系数，可以确定层压板内的残余应力。应变计最初是为各向同性和均匀的材料开发的，以确定材料的贯穿厚度中单形态的残余应力[6]。Bert [7]和Lake [8]通过引入新的校准系统，扩展了包括正交各向异性材料的方法。然而，该方法不能用于获得层压板的贯通深度中的应力梯度[9]。因此开发了增量钻孔方法[5,10]。我们以前的工作[5]已经对这种方法的原理进行了完整的描述。它包括以增量方式钻出一个圆柱形孔，并测量在每次喷射之后在表面上释放的所得应变。同时，我们使用有限元模拟来计算确定残余应力所需的数字校准系数。数值方法在于计算增量钻孔所产生的平面内表面位移场。使用迭代加载过程以数值方式产生钻孔操作。分析位移的增量场并使用傅里叶级数展开，我们可以建立材料的深度中的表面应变与相应的残余应力之间的关系。该方法的优点之一是其能够考虑每次钻孔后的应力再分布，从而确定层压板贯通深度中的残余应力分布的发展。

3. 标本和实验程序

使用的材料是用预浸料层（Vf = 60％，帘布层厚度= 125mm）制成的碳/环氧树脂T300 / 914复合材料。使用了两种不同的上篮：[02/902]和[04/904]。 图 1给出了使用的标准两步固化循环。产生100个100mm的样品以确定残余应力。使用45应变计花环测量层压板表面的应变（参见图2）。钻头采用两齿平底钻头制成。平移速度固定为10mm / s，转速为5000rpm。 在钻孔过程中，刀具的前进运动和旋转由计算机（Newport MM2500控制器）控制。前进运动是通过一个分步电动机驱动的滚珠丝杠产生的，其分辨率为1毫米（Newport M-mtmpp1）（见图3）。在每次钻孔增量之后，刀具从孔中取出，使用计算机数据采集系统测量应变。

Fig.1

4.增量钻孔尺寸的影响

增量钻孔方法的优点之一是其确定层压板贯通深度的应力梯度的能力。然而，该方法的优点取决于增量的数量及其相应的深度 - 相同层压板厚度的钻削增量数越多，残余应力分布越有代表性。除了每层一个增量的结果之外，每层每两个增量获得的结果也可以达到0.875 mm的深度，这对应于七层的钻探。这些测试是在[02/902]层压板上进行的。图4是增量的相对深度的示意图。 在每个钻孔增量下测量的应变如图所示。 图5（a，b，c）分别为三个应变计（见图2）。

Fig. 2. Strain gage localisation.

Fig. 3. Drilling and translation system.

Fig. 4. Size of drilling increment. (P1: 1 increment/ply, P2: 2/ply, P4: 4/ply).

Fig. 5. Strain versus laminate depth.

对于每个量具，可以注意到不同的钻孔增量给出了类似外观的曲线。对于量具1（G1），测量的应变明显增加到0.25mm的深度，即直到对应于第一界面0/90（参见图5a）的深度。超出该界面，可以观察到应变的降低。量具3（G3）提供与用量具1获得的结果对称的结果，即观察到应变的降低，随后增加。相对于第一个0/90接口也发生斜率变化（参见图5（c））。量程2（G2）提供的结果不太明显地表示存在0/90界面（见图5（b））。定量分析表明，在每次钻孔时，每层采用两个和四个增量获得的值非常相似。另一方面，每层增加一个增量的值比其他两种情况更显着。这对于0/90接口尤其如此。在每层每增加一次获得的值和每层每增加一个或两个增量获得的值之间记录了约25％的差异。

Fig. 6. FE Model.

图6（a）和（b）给出了在每层两次钻孔增量的情况下计算校准系数所需的有限元模型。图6（a）示出了第一层的第一增量（在较暗区域）的钻孔。同样，图6（b）示出了第一层的第二增量的钻孔。图7和8显示为不同增量深度计算的残余应力。 由于层压板的对称性，应力分布仅绘制在0.5mm（半厚度）的深度。对于xx（sxx）方向的残余应力，选择的三个增量深度产生相同的残余应力分布。 0层处于压应力下，而90层处于拉应力下。层压板的贯通深度，特别是在类似方向的层中，双重应力显着增加。 但90度的压力似乎更为稳定。每层增加一个增量的值略高于其他两种情况。 在0/90接口处注意到差距约为10％。 在数量上，0/90界面处的残余压应力为88MPa，每层2和4增量。 对于90层，应力稳定在约65MPa。对于横向残余应力（syy），结果与sxx获得的结果是对称的。 0层处于拉伸应力下，而90层在压应力下。 对于sxx，每层增加1次的应力比其他两种情况更为显着。在0/90接口的情况下尤其如此，其中约为15％。 可以注意到，如上所述，对于sxx，应力也稳定在90层。

Fig. 7. xx in-depth residual stress.

Fig. 8. yy In-depth residual stress.

5.量程位置和孔半径的影响

增量钻孔方法的灵敏度取决于孔的相对尺寸和应变计的使用范围。 获得最大孔径的给定应变计玫瑰花的最大灵敏度。 然而，由于与量规不接触，最大直径受到限制。由钻孔引起的孔周围的塑性区域的存在也减小了最大直径。 同时，最好不要将量具放置在距离孔边缘太远处。由于量具和孔之间的距离导致的灵敏度损失可能是有问题的，特别是当与孔相比钻孔深度变大时。 为了确定孔和量规的最佳相对位置，定义了两个比率：l和d（见图9），其中d = Rt / Rj和l = Rt / Rxj。 对于Rt =孔半径，Rj =外应变计的半径，Rxj =中间应变计的半径。比率d使得与孔位相比的量具的相对位置的影响将被研究，而比率l考虑了量具几何的影响（见表1）。 比率l和d之间的关系，量规长度Xj和外应变计的半径在公式中给出（1）。

Fig. 9. Relative location of the hole and the strain gages.

试验在层压板上进行[04/904]。 表1显示了使用的各种规格的不同长度。 表2和表3显示了对于测试的d和l比率获得的各种值。 还显示了用于每个测试的量具。使用应变计A进行Rj = 2mm的另外两个测试系列。钻出两个孔，半径为Rt = 1和1.25mm。选择d和l的不同值以涵盖良好的数据范围（d，在0.19和0.63之间，对于l，在0.14和0.45之间）。 在本文的其余部分，每个测试将被标识如下：d（used）_l（used）_应变计的识别，例如0.50_0.33_D。 由于大量的测试和简化的演示，将只讨论最显着的结果。

5.1 应变计的相对位置的影响

为了确定比率d的影响，使用相同的量具（D）进行了五次测试，目的是消除量规长度参数[见等式（1）]。

Table 1

Strain gage sizes