劉 佳 秦世斌

（中原科技學院 機電工程學院，河南 鄭州450000）

殘余應力是決定一種物質性能的主要力學特征參數(shù)之一，當一種物質在制造或者生產(chǎn)過程中受到某種外界因素作用和影響在物質內(nèi)部形成的一種應力，該應力不會因為影響因素的消失而在物質內(nèi)部消散，而是以平衡的形式存在物質內(nèi)部。具有殘余應力的機械材料力學性能會與普通機械性能有所不同，在機械材料生產(chǎn)和制造過程中，由于使用不同的生產(chǎn)工藝，機械材料中的殘余應力也有所不同，這也就導致每種機械材料都有著不同的力學性能，尤其是疲勞耐久性。大部分機械材料都存在殘余應力，這為機械材料疲勞耐久性檢測提高了難度，傳統(tǒng)檢測技術應用過程比較復雜，需要通過大量的測試來完成，導致傳統(tǒng)檢測技術成本較高，已經(jīng)無法滿足殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測需求，為此提出殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測技術研究。

1 殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測現(xiàn)狀

目前用于殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測的技術主要有人工測試、荷載實驗分析判斷等，這兩種傳統(tǒng)技術主要是對殘余應力的機械材料進行反復的測試及荷載實驗，需要對每次測試和實驗數(shù)據(jù)進行記錄和分析，根據(jù)測試和實驗結果確定殘余應力的機械材料疲勞耐久性能[1]。傳統(tǒng)技術在實際操作過程中需要準備大量的測試材料和實驗材料，并且還需要花費大量的人力資源，不僅檢測效率比較低，而且檢測成本還比較高。此外，在檢測過程中還會對殘余應力的機械材料造成一定的損壞[2]。隨著無損檢測技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測技術智能化和數(shù)字化程度較低，已經(jīng)無法滿足殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測技術要求，急需要對傳統(tǒng)技術進行改良和創(chuàng)新，提高殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測精度，降低其檢測成本。

2 機械材料疲勞耐久性檢測

2.1 機械材料殘余應力數(shù)值模擬分析

對于殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測，首先需要確定機械材料中的殘余應力大小，該參數(shù)值直接關系到機械材料疲勞耐久性能。為了保證計算精度，本文采用數(shù)值模擬技術對機械材料中殘余應力進行分析，選取JKDR 軟件作為數(shù)值模擬分析軟件，在該軟件中建立機械材料數(shù)學模型，并且將機械材料各個參數(shù)輸入到數(shù)學模型中，根據(jù)物質諧振頻率與應變的關系確定機械材料殘余應力大小。在JKDR 軟件中打開諧振頻率與應變關系式，如下所示。

公式（1）中，w 為機械材料諧振角頻率；er 為機械材料陣型階數(shù)；p 為機械材料彈性模量；f 為機械材料長度；β 為機械材料密度；A 為機械材料的截面積；α 為機械材料的殘余應力[3]。將機械材料的各項數(shù)據(jù)輸入到公式（1）中，根據(jù)諧振頻率與殘余應力的關系計算出機械材料的殘余應力數(shù)值。

2.2 殘余應力的機械材料超聲波掃描

由于機械材料是由金屬材料制作而成的彈塑性材料，材料的彈性性能與超聲波傳播速度有著較大的關系，且機械材料彈性模量和力學性能也具有著密切的關系，因此在分析完機械材料的殘余應力后，本文利用超聲脈沖法對殘余應力的機械材料測量。超聲脈沖法對殘余應力的機械材料測量主要是利用超聲設備向機械材料表面發(fā)射超聲波，對殘余應力的機械材料進行超聲波掃描，再利用接收設備接收到殘余應力的機械材料反射回來的超聲波，通過對超聲波波速、振幅、頻率分析，確定殘余應力的機械材料強度，強度是評價殘余應力的機械材料疲勞耐久性主要指標，為最終的殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測評定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，其具體掃描測量如下。

本文根據(jù)殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測需求，選擇BN10 型號超聲儀作為殘余應力的機械材料掃描設備（如圖1 所示），該設備測量精度高，且測量效率比較快，能夠準確接收到殘余應力的機械材料反射回來的超聲波信號[4]。

圖1 BN10 型超聲掃描設備

將超聲波信號發(fā)射裝置放置在待測量機械材料上方，利用支架將其固定??；將超聲波信號接收裝置放置在待測機械材一側。當信號發(fā)射裝置向殘余應力的機械材料表面發(fā)射超聲波信號，信號通過機械材料，再返回到信號接收裝置，利用HUU5858傳感器接收到超聲波發(fā)射時間、接收時間、傳播速度等數(shù)據(jù)，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)計算出殘余應力的機械材料強度，其計算公式如下所示。

公式（2）中，S 表示為殘余應力的機械材料強度；E 表示為超聲波在殘余應力的機械材料中的傳播速度；y 表示為殘余應力的機械材料彈性模量；r 表示為殘余應力的機械材料泊松比；t表示超聲波在殘余應力的機械材料中停留時間；z 表示為殘余應力的機械材料容重[5]。利用上述公式計算出殘余應力的機械材料強度，用于殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測評定。

2.3 殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測評定

首先對殘余應力和強度兩個評定指標進行權重計算。以W表示殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測評定指標權重，結合兩個指標實際值對殘余應力的機械材料疲勞耐久性進行綜合檢測評定，其公式如下。

公式（3）中，P 表示殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測評定數(shù)值。該數(shù)值在0-1 之間，數(shù)值越接近1 則表示疲勞耐久性能越好；反之則表示疲勞耐久性能越差，以此完成殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測[6]。

3 實驗論證分析

實驗選取五種殘余應力的機械材料為實驗對象，實驗利用本文設計技術與傳統(tǒng)技術對該五種機械材料疲勞耐久性進行檢測，實驗中超聲掃描儀參數(shù)設定如下：掃描頻率設定為2.66Hz，掃描時間為0.56s，掃描周期為5.5s，掃描范圍設定為1.5m。實驗利用超聲掃描儀測量到的機械材料強度分別為4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根據(jù)掃描結果確定機械材料疲勞耐久性檢測結果依次為一般、良好、良好、良好、較差。實驗從兩種技術檢測開始計時，一直到檢測結束之后，記錄兩種檢測技術耗時，實驗將其作為兩種技術對比分析參考數(shù)據(jù)，如下表所示。

表1 殘余應力的機械材料規(guī)格表

實驗利用本文設計技術與傳統(tǒng)技術對該五種機械材料疲勞耐久性進行檢測，實驗中超聲掃描儀參數(shù)設定如下：掃描頻率設定為2.66Hz，掃描時間為0.56s，掃描周期為5.5s，掃描范圍設定為1.5m。實驗利用超聲掃描儀測量到的機械材料強度分別為4.53MPa、5.42 MPa、3.16 MPa、8.43 MPa、2.42 MPa，根據(jù)掃描結果確定機械材料疲勞耐久性檢測結果依次為一般、良好、良好、良好、較差。實驗從兩種技術檢測開始計時，一直到檢測結束之后，記錄兩種檢測技術耗時，實驗將其作為兩種技術對比分析參考數(shù)據(jù)，如下表所示。

表2 兩種技術耗時對比（min）

從上述數(shù)據(jù)可以看出，本文設計技術可以快速完成殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測，檢測耗時時間較短，在該方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)技術，因此實驗證明了設計技術可以滿足殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測需求。

結束語

本文針對傳統(tǒng)技術缺點，應用數(shù)值模擬技術與超聲脈沖法設計了一套新的殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測技術，有效提高了檢測效率，可以超快完成殘余應力的機械材料疲勞耐久性檢測，具有一定的推廣價值。