(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210588066.1 (22)申请日 2022.05.27 (66)本国优先权数据 202210031873.3 202 2.01.12 CN (71)申请人 中国工程物理研究院机 械制造工艺 研究所 地址 621000 四川省绵阳市绵山路64 号 (72)发明人 孔金星　张峥　张晓峰　杜东兴　 (74)专利代理 机构 成都行之专利代理事务所 (普通合伙) 51220 专利代理师 林菲菲 (51)Int.Cl. G01N 23/20(2018.01) G01C 1/02(2006.01) G06F 30/17(2020.01) (54)发明名称 一种球壳类零件的残余应力场测量装置与 建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种球壳类零件的残余应力 场测量装置与建模方法， 测量装置包括经纬仪和 稳定平台； 所述经纬仪用于固定球壳类零件， 并 在测量过程中控制零件的运动轨迹与空间位置 精度， 同时输出测量微区的空间坐标信息； 所述 稳定平台用于稳定所述球壳类零件与所述经纬 仪中各测量机构， 保证测量过程中隔绝外界的干 扰。 本发明采用经纬仪实现在测量过程中控制零 件的运动轨迹与空间位置精度， 同时输出测量微 区的空间坐标信息， 并通过应力张量映射和坐标 空间变换， 实现薄壁球壳类零件的三维全场应力 建模， 从而为零件变形分析与车削工艺优化提供 完整可靠的数据支持。 权利要求书3页 说明书11页 附图12页 CN 114813799 A 2022.07.29 CN 114813799 A 1.一种球壳类零件的残余应力场测量装置， 其特 征在于， 包括经纬仪和稳定平台； 所述经纬仪用于固定球壳类零件， 并在测量过程中控制零件的运动轨迹与空间位置精 度， 同时输出测量 微区的空间坐标信息； 所述稳定平台用于稳定所述球壳类零件与 所述经纬仪 中各测量机构， 保证测量过程中 隔绝外界的干扰。 2.根据权利要求1所述的一种球壳类零件的残余应力场测量装置， 其特征在于， 所述经 纬仪包括 零件固定平台、 经度仪、 纬度仪、 二轴可调支 架和方位器； 所述零件固定平台用于承载 所述球壳类零件， 并保持测量过程中零件运动的稳定性； 所述经度仪用于保证所述球壳类零件绕回转中心轴自由旋转， 并精确调控所述球壳类 零件测量 微区的经度坐标； 所述纬度仪用于保证所述球壳类零件绕俯仰中心轴自由旋转， 并精确调控所述球壳类 零件测量 微区的纬度坐标； 所述二轴可调支架用于调控所述球壳类零件在直角坐标系中X/Y向位置， 并调控回转 中心轴与所述球壳类零件球心的相对位置关系； 所述方位器用于保证测量过程中方位器窗口平面、 测量微区平面始终保持水平， 并输 出测量微区相对于所述球壳类零件的实时空间坐标。 3.根据权利要求2所述的一种球壳类零件的残余应力场测量装置， 其特征在于， 所述零 件固定平台配电机 械水平仪与电子水平仪； 所述经度仪配备机 械分度盘与电子测角仪； 所述纬度仪配备机 械分度盘、 电子测角仪和可调高度的俯仰轴； 所述方位器配备可拆卸机械模组， 用于适配厚度千分尺， 以测量所述球壳类零件径向 壁厚的增减； 所述方位器配备应力测量模组， 用于适配XRD应力衍射探头， 以校验物 理衍射测量 时的 衍射角。 4.根据权利要求1 ‑3任一项所述的一种球壳类零件的残余应力场测量装置， 其特征在 于， 所述稳定平台包括大理石平台和气浮稳定支座； 所述大理石平台用于承载 所述球壳类零件与所述经纬仪； 所述气浮稳定支座用于支撑所述大理石平台， 并配备压力传感器与稳定单 元。 5.基于权利要求1 ‑4任一项所述的一种球壳类零件的残余应力场测量装置的建模方 法， 其特征在于， 包括： 步骤1， 确定所述球壳类零件的类型， 装夹零件， 对齐所述球壳类零件球心与经度仪的 回转中心轴， 对齐所述球壳类零件球心与纬度仪的俯仰轴； 步骤2， 选取所述球壳类零件球心作为零件坐标系的原点， 为残余应力测量建立球应力 坐标系； 步骤3， 调整方位器窗口平面位置水平， 对齐XRD应力衍射探头， 使得测量微区平面与所 述方位器窗口平面相平行， 以测量 微区平面 为基准建立平面应力坐标系； 步骤4， 选取等高度纬线， 进行与方位角相关的应力测量， 校验残余应力的回转对称性； 步骤5， 选取所述球壳类零件任意一条经线， 进行与仰角相关的应力测量， 校验残余应 力沿经线的变化 规律；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114813799 A 2步骤6， 进行应力张量空间变化， 变化次序为： 平面应力坐标系 →球应力坐标系 →直角 应力坐标系， 将测量得到的离 散数据转 化为数值分析的应力场数据； 步骤7， 将所述应力场数据输入数值计算模型， 按照直角应力坐标系 进行节点位置坐标 与应力分量的完全映射， 设定残余应力初始条件， 完成实体零件到理论模型的建模。 6.根据权利要求5所述的建模方法， 其特征在于， 所述步骤4采用等间距测量方式或随 机方位角测量方式进行与方位角相关的应力测量。 7.根据权利要求5所述的建模方法， 其特 征在于， 所述 步骤5具体包括以下子步骤： 步骤5‑1， 球壳类零件表面变仰角Δθ、 沿经线扫描测量 的定量关系； 步骤5‑2， 球壳类零件表面变厚度Δr、 沿螺旋线扫描测量 的定量关系； 其中， r为径向坐标， θ为仰角坐标， 为方位角坐标， σθ与 为仰角方 向和方位角方向 的残余应力。 8.根据权利要求7 所述的建模方法， 其特 征在于， 所述 步骤6具体包括以下子步骤： 步骤6‑1， 确定测量平面应力坐标系Cp， 其应力张量如下： 式中， σx, σy, σz表示正应力， τxy, τxz, τyz表示切应力； 步骤6‑2， 球应力坐标系Cs的子变换： 步骤6‑3， 直角应力坐标系CR的子变换： 9.根据权利要求5所述的建模方法， 其特征在于， 该建模方法适用于薄壁球壳类构型零权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114813799 A 3