CN107526877B - 一种消减残余应力的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消减残余应力的模拟方法，属于残余应力控制与消减技术领域。步骤一、基于铝合金力学及热物理试验，得到相关参数，建立铝合金的粘塑性本构方程；步骤二、建立消减残余应力的冷变形有限元模型；步骤三、对锻件仿真模型进行冷变形模拟；步骤四、对各工艺分布残余应力分布及演变规律进行追踪分析，确定冷模压工艺每一步的压缩量。本发明构建了一套完整的残余应力消减的研究方法与流程，并成功应用于国产大飞机大型锻件的研制，填补了国内空白；建立了一套大型厚截面铝合金锻件消减残余应力有限元模型，探索出最佳冷变形工艺参数，并应用于实际零件得到试验验证，有效解决了大规格铝合金锻件残余应力过大导致加工变形的技术难题。

Description

一种消减残余应力的模拟方法
技术领域
本发明属于残余应力控制与消减技术领域，具体涉及一种消减残余应力的模拟方法。
背景技术
铝合金材料的航空构件，为了适应在长期高温高压等恶劣的环境下工作，都需要进行固溶淬火热处理，提高材料的强度及抗疲劳、抗腐蚀性能。但是这会造成构件内部淬火残余应力的产生。
a)淬火残余应力导致锻件机械加工变形严重；
b)降低了材料的使用寿命，具有安全隐患；
目前国内对于航空结构件加工变形控制研究基本上是一片空白，一方面是铝合金制品残余应力产生机理研究、消减方法及抑制工艺探索、检测技术和表征方式等方面的基础研究基础均相当薄弱，多为试验室科研成果性质，距工程生产有一定偏差，无法满足解决型号生产中遇到的此类大型零件的实际需求；另一方面是机械加工的工艺技术水平也相对落后。面对国内在研和预研型号对合格大规格铝合金锻件的迫切需求,残余应力消减就更为重要。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种消减残余应力的模拟方法，建立铝合金的粘塑本构方程，采用沿宽度方向分段、沿弧长整体冷变形的局部冷模压工艺分步进行残余应力消减，有效解决了大规格铝合金锻件残余应力过大导致加工变形的技术难题。
本发明的术方案：一种消减残余应力的模拟方法，适用于复杂构型航空铝合金锻件残余应力的控制与消减，包括以下步骤：
步骤一、基于铝合金力学及热物理试验，得到相关参数，建立铝合金的粘塑性本构方程；
1)、获得铝合金材料淬火温度范围内的弹性模量、屈服强度、比热容、热传导系数；
2)、通过测量淬火过程中铝合金试块的温度变化，根据传热理论由温度变化曲线反推表面换热系数，为建立铝合金试件淬火有限元模型提供真实准确的边界条件；
3)、耦合位错密度建立统一粘塑性本构方程；
Figure GDA0002562965450000021
其中，
σ＝E(εT-ερ)
Figure GDA0002562965450000022
Figure GDA0002562965450000023
ερ为塑性应变，
Figure GDA0002562965450000024
为塑性应变率，R为塑性变形中位错密度的积累引起的，其值与
Figure GDA0002562965450000025
成正比，k、K、C、B、E均与温度有关,n1、A、n2是材料常数；
步骤二、建立消减残余应力的冷变形有限元模型；
所述冷变形有限元模型包括：下模仿真模型、锻件仿真模型、工件仿真模型；
所述锻件仿真模型由筋条和腹板组成，所述筋条置于腹板之上；
步骤三、对锻件仿真模型进行冷变形模拟；
采用沿宽度方向分段、沿弧长整体冷变形的局部冷模压工艺分步进行残余应力消减，先对筋条部位进行压缩，再由筋条部位向两侧同时进行冷漠压工处理；
步骤四、对各工艺分布残余应力分布及演变规律进行追踪分析，确定冷模压工艺每一步的压缩量。
优选地，所述筋条部位的压缩量大于腹板部位的压缩量。
优选地，所述步骤三中，对筋条部分施加的冷变形量为1.5％至2％，对腹板部分施加冷变形量为0.5％。
优选地，所述冷模压工艺分5个工步进行，且相邻两步设定重叠量。
优选地，所述重叠量为25mm。
本发明技术方案的有益技术效果：本发明构建了一套完整的残余应力消减的研究方法与流程，并成功应用于国产大飞机大型锻件的研制，填补了国内空白；创新性地建立了一套大型厚截面铝合金锻件消减残余应力有限元模型，探索出最佳冷变形工艺参数，并应用于实际零件得到试验验证，有效解决了大规格铝合金锻件残余应力过大导致加工变形的技术难题。
附图说明
图1为本发明消减残余应力的模拟方法的一优选实施例的消减残余应力模型示意图；
图2为图1所示实施例的锻件下压量示意图；
图3为图1所示另一实施例的锻件下压量示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
一种消减残余应力的模拟方法，适用于复杂构型航空铝合金锻件残余应力的控制与消减，包括以下步骤：
步骤一、基于铝合金力学及热物理试验，得到相关参数，建立铝合金的粘塑性本构方程；
1)、获得铝合金材料淬火温度范围内的弹性模量、屈服强度、比热容、热传导系数；
本实施例中，采用圆柱试样单向压缩法对7050淬火态铝合金进行高温流变的热/力模拟试验，以获得材料淬火温度范围内的弹性模量、屈服强度；在热物性测试仪上进行7050铝合金的激光导热试验，以获得7050材料淬火温度范围内的比热容、热传导系数，为建立铝合金试件淬火有限元模型提供真实准确的材料参数。
2)、通过测量淬火过程中铝合金试块的温度变化，根据传热理论由温度变化曲线反推表面换热系数，为建立铝合金试件淬火有限元模型提供真实准确的边界条件；
本实施例中，利用铝合金试块进行淬火试验，通过测量淬火过程中试块的温度变化，根据传热理论由温度变化曲线反推表面换热系数，为建立铝合金试件淬火有限元模型提供真实准确的边界条件。
3)、耦合位错密度建立统一粘塑性本构方程；
材料塑性应力与应变关系称为材料塑性本构关系，其数学表达式称为本构方程，也称为物理方程。本项目中7050铝合金锻件遵循的是粘塑性本构关系，即粘塑性流动定律。
通常情况下，对于属温度低于0.4Tm(Tm—材料熔点)的金属，材料的粘性表现的不明显，可以被忽略。塑性加工时，应力-应变关系描述如下：
Figure GDA0002562965450000051
若温度高于0.5Tm材料的粘性开始显现，此时，应力-应变关系描述如下：
Figure GDA0002562965450000052
式中，ερ为塑性应变，
Figure GDA0002562965450000053
为塑性应变率，N为应变强化指数，m为应变率强化指数，K为材料常数。材料具有一个初始动态屈服极限k，在热变形过程中，位错塞积将产生一个硬化应力R，从而流变应力可表示为＜σ-R-k＞+，根据流变应力的物理意义，其值必须非负，演化为：
Figure GDA0002562965450000054
式中，R为塑性变形中位错密度的积累引起的，其值与
Figure GDA0002562965450000055
成正比：
Figure GDA0002562965450000056
B为与温度相关的常数。
对于一种材料，位错密度的实际值很难测量，一般情况下，通常定义一个均化位错密度
Figure GDA0002562965450000057
来衡量其大小，可表示为：
Figure GDA0002562965450000058
式中，ρ0为材料初始位错密度，ρ为变形过程中材料的位错密度，在高温变形条件下，位错密度的变化率与材料的动态回复和静态回复有关，其表达式为：
Figure GDA0002562965450000059
由虎克定律有：
σ＝E(εT-ερ) (7)
因此，耦合位错密度的统一粘塑性本构方程因此建立：
Figure GDA0002562965450000061
Figure GDA0002562965450000062
Figure GDA0002562965450000063
σ＝E(εT-ερ) (11)
其中，k、K、C、B、E均与温度有关,n1、A、n2是材料常数；
Figure GDA0002562965450000064
Figure GDA0002562965450000065
Figure GDA0002562965450000066
Figure GDA0002562965450000067
Figure GDA0002562965450000068
Figure GDA0002562965450000069
Rg是气体常数为8.314，T用绝对温度表示。
步骤二、建立消减残余应力的冷变形有限元模型；
冷变形有限元模型包括：下模仿真模型、锻件仿真模型、工件仿真模型；
锻件仿真模型由筋条和腹板组成，筋条置于腹板之上；锻件仿真模型的筋条镶嵌在下模仿真模型内，工件仿真模型挤压锻件仿真模型未设置筋条的一面；对其进行残余应力消减。
步骤三、对锻件仿真模型进行冷变形模拟；
采用沿宽度方向分段、沿弧长整体冷变形的局部冷模压工艺分步进行残余应力消减，先对筋条部位进行压缩，再由筋条部位向两侧同时进行冷漠压工处理，筋条部位的压缩量大于腹板部位的压缩量。
本实施例中，基于建立的粘弹塑性本构以及热物理性能试验，建立7050铝合金冷变形工艺仿真模型，采用沿宽度方向分段、沿弧长整体冷变形的局部冷模压工艺分5个工步进行残余应力消减，工件仿真模型优选为压条，其压条宽度120mm，
本实施例中，每个工艺分步的重叠量采用25mm，对筋部施加较大冷变形量—1.5％至2％，对腹板施加较小冷变形量—0.5％。
步骤四、对各工艺分布残余应力分布及演变规律进行追踪分析，确定冷模压工艺每一步的压缩量。
为探明筋与腹板残余应力不同消减效果产生的原因，优化冷模压残余应力消减工艺，对各工步残余应力分布及演变规律进行了追踪分析，提出了适应性冷变形新工艺(高应力筋部大变形，低应力腹板小变形)，以实现淬火残余应力均匀消减。
本发明突破国内关于大型厚截面铝合金锻件淬火残余应力规律精确分析，评估航空铝合金制品内部残余应力分布规律的方法，优化控制与消减铝合金制品淬火残余应力的有关工艺措施。通过铝合金力学、热物理试验，得到相关参数，建立铝合金的粘塑性本构方程，可以准确的表征铝合金在不同温度下的变形行为。在此基础上，创新性地建立了一套大型厚截面铝合金锻件消减残余应力有限元模型，探索出最佳冷变形工艺参数，并应用于实际零件得到试验验证，有效解决了大规格铝合金锻件残余应力过大导致加工变形的技术难题。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种消减残余应力的模拟方法，适用于复杂构型航空铝合金锻件残余应力的控制与消减，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于铝合金力学及热物理试验，得到相关参数，建立铝合金的粘塑性本构方程；
1)、获得铝合金材料淬火温度范围内的弹性模量、屈服强度、比热容、热传导系数；
2)、通过测量淬火过程中铝合金试块的温度变化，根据传热理论由温度变化曲线反推表面换热系数，为建立铝合金试件淬火有限元模型提供真实准确的边界条件；
3)、耦合位错密度建立统一粘塑性本构方程；
材料具有一个初始动态屈服极限k，在热变形过程中，位错塞积将产生一个硬化应力R，从而流变应力可表示为＜σ-R-k＞+，根据流变应力的物理意义，其值必须非负：
Figure FDA0002562965440000011
其中，
σ＝E(εT-ερ)
Figure FDA0002562965440000012
Figure FDA0002562965440000013
ερ为塑性应变，
Figure FDA0002562965440000014
为塑性应变率，σ为材料塑性应力，ρ为变形过程中材料的位错密度，
Figure FDA0002562965440000015
为均化位错密度，
Figure FDA0002562965440000016
为位错密度的变化率，R为塑性变形中位错密度的积累引起的，其值与
Figure FDA0002562965440000017
成正比，k、K、C、B、E均与温度有关，n1、A、n2是材料常数；其中，
Figure FDA0002562965440000021
Figure FDA0002562965440000022
Figure FDA0002562965440000023
Figure FDA0002562965440000024
Figure FDA0002562965440000025
Rg为气体常数8.314，T为绝对温度；
步骤二、建立消减残余应力的冷变形有限元模型；
所述冷变形有限元模型包括：下模仿真模型、锻件仿真模型、工件仿真模型；
所述锻件仿真模型由筋条和腹板组成，所述筋条置于腹板之上；
步骤三、对锻件仿真模型进行冷变形模拟；
采用沿宽度方向分段、沿弧长整体冷变形的局部冷模压工艺分步进行残余应力消减，先对筋条部位进行压缩，再由筋条部位向两侧同时进行冷漠压工处理；
步骤四、对各工艺分布残余应力分布及演变规律进行追踪分析，确定冷模压工艺每一步的压缩量。
2.如权利要求1所述的消减残余应力的模拟方法，其特征在于：所述筋条部位的压缩量大于腹板部位的压缩量。
3.如权利要求2所述的消减残余应力的模拟方法，其特征在于：所述步骤三中，对筋条部分施加的冷变形量为1.5％至2％，对腹板部分施加冷变形量为0.5％。
4.如权利要求1所述的消减残余应力的模拟方法，其特征在于：所述冷模压工艺分5个工步进行，且相邻两步设定重叠量。
5.如权利要求4所述的消减残余应力的模拟方法，其特征在于：所述重叠量为25mm。
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