CN112231948B - 一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法 - Google Patents

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Abstract

发明涉及工件残余应力调控技术领域，且公开了一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，包括以下步骤：S1、参照国家标准《GB/T 10120‑2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》实施铝合金材料热应力松弛试验；S2、基于步骤S1进行应力松弛试验曲线拟合；S3、建立具有初始应力的铝合金环件数值仿真模型；S4、选择合适的蠕变型本构函数，转换步骤S2中铝合金应力松弛本构曲线方程，确定铝合金的材料蠕变参数；S5、基于步骤S4，进行热时效仿真；S6、基于步骤S5热时效数值仿真结果，进行振动时效仿真，实现环件的热振复合数值仿真；S7、分析查看铝合金环件数值仿真模型的热振复合残余应力调控效果。结果表明，铝合金经过热振复合时效，材料内部残余应力得到均化。

Description

一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法
技术领域
本发明涉及工件残余应力调控技术领域，具体为一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法。
背景技术
目前，对于运载火箭用中小型(≤5m)环锻件的制造技术已经成熟，整体铝合金环锻件已经应用在长征三号系列、长征四号系列、长征五号系列中。而随着我国启动直径达10米、起飞质量达3000吨的重型运载火箭的研制任务，大型环锻件的研制已经尤为迫切，但是随着环锻件规格的增大，残余应力大、形状和力学性能一致性差，成形界面的不均匀性与非连续性表现更为突出，使得大规格整体构件成型、成性难度极大。目前，我国对这类规格轻合金构件的制造能力与需求之间还存在较大差距，制造能力尚不能满足重载火箭装备服役性能跨越式发展的要求。高性能大规格轻合金构件的制造已成为我国重载火箭和涉及到“制天权”战略工程所急需解决的重大问题，迫切需要开展重载火箭、空间站用大型航天铝合金回转体构件整体成形组织性能精确调控技术的研究。现今比较常用的残余应力调控方法主要有热时效和振动时效法，两种方法均已相对比较成熟，并在各大军工制造企业得到了应用，热振复合作为一种新型的应力调控工艺，是研究残余应力调控的新手段。
零件的残余应力调控方法主要有热时效和振动时效法，两种方法各自具有明显的局限性。
关于热时效残余应力调控的机理解释有观点之一，是由一般的应力松弛造成释放，即在一定温度下保持足够时间，会出现弹性应力减小的状况，从而出现了残余应力重新分布，因此，基于材料的应力松弛机理，应用有限元原理可实现铝合金环件内部残余应力演化及分布的精确评估。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，解决了上述背景技术中所提出的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，包括以下步骤：
S1、参照国家标准《GB/T 10120-2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将铝合金材料制成圆形截面试样，在材料试验机上进行铝合金材料应力松弛试验；
S2、依据步骤S1得到的铝合金材料的应力松弛试验数据，绘制铝合金应力松弛试验拟合曲线；
S3、采用激光小孔法获得铝合金环件中初始残余应力，并建立具有初始应力的铝合金环件数值仿真模型；
S4、依据应力松弛的本是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，转换步骤S2中铝合金应力松弛本构曲线方程，确定铝合金的材料蠕变参数；
S5、基于有限元软件，离散化步骤S3中铝合金环件数值仿真模型，将铝合金材料参数及步骤S4确定的蠕变参数输入结构静力分析模块，进行热时效的数值仿真分析；
S6、基于步骤S5热时效的数值仿真结果作为振动时效有限元分析的初始状态，采用瞬态动力学分析模块，进行振动时效的有限元分析，实现残余应力的热振复合数值仿真；
S7、基于仿真结果，分析查看铝合金环件数值仿真模型的热振复合残余应力调控效果。
优选的，该方法适用于所有具有显著蠕变松弛性能的金属材料。
优选的，热振复合时效是结合热时效和振动时效，是残余应力调控的方法之一。
优选的，热时效的数值仿真分析，其特点在于由材料的蠕变本构模型进行区别于一般的热时效数值仿真。
优选的，步骤S3激光小孔法是根据钻孔法快速确定铝合金环件的初始残余应力，利用ESPI(Electronic speckle pattern interferometry，电子散斑图案干涉测量)系统，将孔周边的变形量转换为面内的残余应力值，该方法具有应力测量效率高、测量分辨率精度高、测量材料范围广等优点。
优选的，依据热时效过程中是由一般的应力松弛造成释放，使得残余应力重新分布这一机理，应用由应变硬化本构模型
Figure BDA0002701631540000031
进而描述铝合金热时效过程中应力松弛行为，其中，A、n、m为材料参数，ε0为总应变。
优选的，步骤S4应力松弛产生的原因是由于材料在热时效过程中，弹性变形逐渐变为蠕变变形，而应力松弛过程可近似描述为一种变应力的蠕变过程，推导得到弹性应变速率与蠕变应变速率关系，即
Figure BDA0002701631540000032
优选的，有限元软件中用材料的蠕变本构方程来描述材料的应力松弛行为，选择第一阶段应变强化蠕变本构模型
Figure BDA0002701631540000033
描述铝合金热时效行为，其中，C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数，T为绝对温度值。
优选的，步骤S6振动时效仿真方法是基于材料的残余应力σr和动应力σd叠加之和大于屈服极限σs原理，使材料内部残余应力消减，即σs＜σr+σd＜σ-1，其中，σs为材料的屈服极限，σr为材料的残余应力，σd为动应力，σ-1为材料的疲劳极限。
优选的，仿真模型包括但不限定于环形形状，且仿真模型材料包括但不限定于铝合金材料。
(三)有益效果
本发明提供了一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，具备以下有益效果：
本发明相较于现有技术，优点在于：热时效和振动时效是两种应用广泛的消减零件残余应力的方法，而本方法从高温下零件是由一般的应力松弛造成残余应力释放机理为理论进行热时效数值仿真，以及结合振动时效机理完成热振复合仿真，以热时效和振动时效相融合，使工件在加热状态下产生振动，从而弥补单独热时效和振动时效的劣势，提高应力调控效率，且从各自时效的机理出发，实现零件内部残余应力演化及分布的精确评估。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中铝合金材料应力松弛试验初始应力为50MPa拟合曲线图；
图3为本发明中铝合金材料应力松弛试验初始应力为100MPa拟合曲线图；
图4为本发明中铝合金材料应力松弛试验初始应力为150MPa拟合曲线图；
图5为本发明中铝合金材料应力松弛试验初始应力为250MPa拟合曲线图；
图6为本发明中铝合金环件数值仿真模型图；
图7为本发明中铝合金环件数值仿真模型初始残余应力等效应力分布云图；
图8为本发明中铝合金环件数值仿真模型热振复合仿真后残余应力等效应力分布云图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
(一)铝合金材料应力松弛试验
S1、参照国家标准《GB/T 10120—2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将铝合金材料制成圆形截面试样，在材料试验机上进行铝合金材料应力松弛试验；
S2、依据步骤S1得到的铝合金材料的应力松弛试验数据，绘制铝合金应力松弛试验拟合曲线；
其中，铝合金应力松弛试验数据可采用MATLAB工具箱，拟合材料的应力松弛曲线，不同初始应力下应力松弛试验曲线拟合见图2、图3、图4和图5。
其中，选取应变硬化模型来描述材料的应力松弛行为，应变硬化本构方程为：
Figure BDA0002701631540000051
式(1)中，A、n、m为材料参数，ε0为总应变，T为绝对温度值。
(二)热时效应力松弛过程仿真
S3、采用激光小孔法获得铝合金环件中初始残余应力，并建立具有初始应力的铝合金环件数值仿真模型；
S4、依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，转换步骤S2中铝合金应力松弛本构曲线方程，确定铝合金的材料蠕变参数；
S5、基于有限元软件，离散化步骤S3中铝合金环件数值仿真模型，将铝合金材料参数及步骤S4确定的蠕变参数输入结构静力分析模块，进行热时效的数值仿真分析；
其中，应用有限元软件建立铝合金环件数值仿真模型图见图6。
其中，依据实际测量的残余应力值，输入到铝合金环件数值仿真模型，建立具有初始应力的仿真模型，等效应力结果云图见图7。
其中，铝合金环件内部初始残余应力是本发明热振复合调控仿真的关键，因此，可采用激光小孔法是根据钻孔法快速确定铝合金环件的初始残余应力，具有应力测量效率高、测量分辨率精度高、测量材料范围广等优点。
热时效的机理是：由一般的应力松弛造成释放，即在一定温度下保持足够时间，会出现弹性应力减小的状况，从而出现了残余应力重新分布。
典型的第一阶段应变强化蠕变模型可较好的描述7075铝合金实际应力松弛行为，蠕变本构模型为：
Figure BDA0002701631540000061
式(2)中，C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数。
采用MATLAB软件，首先采用公式(2)去拟合由公式(1)应力松弛试验拟合后的应力松弛曲线，得到应变硬化本构方程；然后利用MATLAB软件中的优化函数optimoptions，采用公式(1)并设置C1、C2、C3、C4初始值并利用优化函数进行迭代优化求解，具体设置为optimoptions('fmincon','Displa y','iter','Algorithm','sqp')。
依据铝合金材料的应力松弛试验结果并拟合曲线，7075铝合金材料蠕变参数求解得到C1、C2、C3、C4分别为7.4644e-11、3.4000、-0.1400、397.8595。
将常数结果代入式(2)即得在ANSYS中第一阶段应变强化蠕变模型
Figure BDA0002701631540000062
结合该蠕变本构方程，将参数输入到有限元ANSYS中进行静力学分析，实现热时效应力松弛过程仿真。
(三)振动时效过程仿真
S6、基于步骤S5热时效的数值仿真结果作为振动时效有限元分析的初始状态，采用瞬态动力学分析模块，进行振动时效的有限元分析，实现残余应力的热振复合数值仿真；
S7、基于仿真结果，分析查看铝合金环件数值仿真模型的热振复合残余应力调控效果。
其中，为了验证铝合金环件数值仿真模型的热振复合残余应力调控效果，可分析仿真模型热振复合后残余应力等效应力分布云图，具体见图8。
振动时效的机理是：宏观上，施加在构件上的激振力所产生的动应力与构件原有的残余应力之和达到材料的屈服极限，材料内部的晶体将发生位错运动，构件达到屈服极限的部分将发生塑性变形，释放构件内部的残余应力。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、参照国家标准《GB/T 10120-2013金属材料拉伸应力松弛试验方法》，将铝合金材料制成圆形截面试样，在材料试验机上进行铝合金材料应力松弛试验；
S2、依据步骤S1得到的铝合金材料的应力松弛试验数据，绘制铝合金应力松弛试验拟合曲线；
S3、采用激光小孔法获得铝合金环件中初始残余应力，并建立具有初始应力的铝合金环件数值仿真模型，应用应变硬化本构模型
Figure FDA0003564008050000011
描述铝合金热时效过程中的应力松弛行为，其中，A、n、m为材料参数，ε0为总应变；
S4、有限元软件中用材料的蠕变本构方程来描述材料的应力松弛行为，选择第一阶段应变强化蠕变本构模型
Figure FDA0003564008050000012
描述铝合金热时效行为，其中，C1、C2、C3、C4为材料的蠕变参数，T为绝对温度值，依据应力松弛的蠕变原理，确定蠕变本构函数，转换步骤S2中铝合金应力松弛本构曲线方程，确定铝合金的材料蠕变参数；
S5、基于有限元软件，离散化步骤S3中铝合金环件数值仿真模型，将铝合金材料参数及步骤S4确定的蠕变参数输入结构静力分析模块，进行热时效的数值仿真分析；
S6、基于步骤S5热时效的数值仿真结果作为振动时效有限元分析的初始状态，采用瞬态动力学分析模块，进行振动时效的有限元分析，实现残余应力的热振复合数值仿真；
S7、基于仿真结果，分析查看铝合金环件数值仿真模型的热振复合残余应力调控效果。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：该方法适用于所有具有显著蠕变松弛性能的金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：热振复合时效是热时效和振动时效的结合。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：步骤S3激光小孔法是根据钻孔法快速确定铝合金环件的初始残余应力，利用电子散斑图案干涉测量 ESPI(Electronic speckle pattern interferometry)系统，将孔周边的变形量转换为面内的残余应力值。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：应力松弛过程可近似描述为一种变应力的蠕变过程，推导得到弹性应变速率
Figure FDA0003564008050000021
与蠕变应变速率
Figure FDA0003564008050000022
关系，即
Figure FDA0003564008050000023
6.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：步骤S6振动时效仿真方法是基于材料的残余应力σr和动应力σd叠加之和大于屈服极限σs原理，使材料内部残余应力消减，即σs＜σr+σd＜σ-1，其中，σs为材料的屈服极限，σr为材料的残余应力，σd为动应力，σ-1为材料的疲劳极限。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金环件热振复合残余应力调控仿真方法，其特征在于：仿真模型包括但不限定于环形形状，且仿真模型材料包括但不限定于铝合金材料。
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