CN113237583A - 一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法 - Google Patents

一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法，包括以下步骤：(1)将筒形件作为基准件，设计与基准件凸起数量相同的伴随件；(2)设计伴随件的尺寸及材料；(3)将基准件和伴随件放入固溶热处理炉中处理；(4)使用仿真软件得到基准件和伴随件残余应力仿真结果；(5)将基准件的凸起和伴随件沿厚度方向分成m层；提取凸起和伴随件各层残余应力值，获得凸起和伴随件残余应力之间的比例关系，建立比例值与各层厚度的函数关系及比例值与凸起初始厚度的函数关系；(6)拟合比例值与凸起初始厚度、各层厚度之间的函数关系；(7)测得伴随件残余应力分布值；(8)获得基准件的残余应力值。本发明在不破坏基准件时，获得基准件残余应力的分布及数值。

Description

一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法
技术领域
本发明涉及镁合金筒形件残余应力评估，具体是涉及一种大型带内筋和凸台的复杂镁合金筒形件残余应力评估预测方法。
背景技术
铸造镁合金作为一种轻质合金，随着航空航天技术的发展，在飞行器的结构复杂化、轻量化需求下，具有广泛的应用空间。对于大型复杂镁合金筒形件，由于存在较多凸台，由于凸台位置、结构及尺寸的分布复杂性，导致该类筒形件在铸造及热处理过程中残余应力分布特征异常复杂，进而影响后续筒形件的加工变形，因此在不损坏筒形件的同时，掌握镁合金复杂筒形件整体残余应力分布规律，进而获得筒形件全域残余应力分布特征及其评估方法，对调控筒形件残余应力分布规律具有非常重要的意义。
目前针对大型复杂镁合金筒形件的残余应力无损检测技术，只能通过X射线衍射法、盲孔法测量到表面和近表层的残余应力，而对于内部残余应力，目前主要通过轮廓法和中子衍射法测得，然而轮廓法需要将筒形件测量面一分为二，属于破坏性测试方法，而中子衍射法成本极高，而且目前国内外已有的中子衍射装置承载平台的尺寸和承载能力有限，难以满足大规格筒形件深部应力场的无损检测需求。
现有技术已初步建立厚板和T型板淬火残余应力的评估方法，如CN109490334A公开了一种运用残余应力预测模型的T字型锻件无损测试方法，通过对大型厚截面航空铝合金锻件表面残余应力测试，运用发明专利中的模型，预测出内部残余应力；CN109870257A公开了一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，利用表面残余应力、内部残余应力数值以及分布函数J(z)预测其他规格样品厚度方向残余应力分布。然而现有研究所采用的评估方法针对的是平板或T型板等外形相对简单的结构件，而针对内部加筋和凸台的圆筒形复杂构件，由于加强筋和凸台的分布位置及外形尺寸的不同，使得筒形件不同位置残余应力的分布及演变规律极其复杂，难以简单的通过表面残余应力精确评估筒形件内部不同位置的残余应力分布特征。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法，能对带内筋和凸台的复杂筒形件的残余应力进行有效、快速地评估。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法，包括以下步骤：
(1)将原始的筒形件作为“基准件”，根据基准件内凸起的数量设计相同数量的“伴随件”；
(2)设计伴随件的尺寸及材料；
(3)将基准件和伴随件同时放入固溶热处理炉中处理；
(4)使用仿真软件基于相同的热处理工艺，得到基准件和伴随件残余应力仿真结果；
(5)基于仿真结果，将基准件的凸起和伴随件沿厚度方向分成m层；提取凸起和伴随件从1～m层的残余应力值，获得凸起和伴随件相同位置残余应力之间的比例关系，建立比例值与各层厚度之间的函数关系及比例值与凸起初始厚度的函数关系；
(6)根据比例值与各层厚度之间的函数关系及比例值与凸起初始厚度的函数关系，拟合比例值与凸起初始厚度、各层厚度之间的函数关系；
(7)针对每个伴随件，采用实验测得伴随件全厚度方向残余应力分布值；
(8)基于伴随件残余应力分布值，利用比例值与凸起初始厚度、各层厚度之间的函数关系，获得基准件相应位置的残余应力值。
进一步，所述步骤(1)，具体过程如下：将原始的筒形件作为“基准件”，基准件中凸起的数量为n，凸起表示为Ai(i＝1，2，…，n)，凸起Ai的厚度表示为Hi；根据基准件中不同厚度Hi的凸起，设计n个与各凸起厚度相同的平板件，作为“伴随件”，伴随件表示为Bi，各伴随件与各厚度相同的凸起相对应。
进一步，所述步骤(2)，具体过程如下：所述伴随件的长、宽尺寸设置为其自身厚度的3倍以上；伴随件材料设计为与基准件相同。
进一步，所述步骤(3)，具体过程如下：将基准件和所有伴随件同时放入相同的固溶热处理炉中，加热到500～550℃固溶温度，并保温10～14小时，然后快速取出，空冷。
进一步，所述步骤(5)，包括以下步骤：
(5-1)基于仿真结果，选定基准件中一个初始厚度H1的凸起A1，沿厚度方向分成m层，各层的厚度分别表示为tj(j＝1，2，……，m)；将与凸起A1对应的伴随件B1沿厚度方向分成m层，各层的厚度与凸起A1各层厚度相同；提取凸起A1和伴随件B1从1～m层的残余应力值，获得凸起A1和伴随件B1相同位置残余应力之间的比例关系，如式(1)所示，得到m个离散点K值，
Figure BDA0003065310190000041
式中，σj为凸起A1沿着厚度方向第j层的残余应力值，
Figure BDA0003065310190000042
为伴随件B1沿着厚度方向第j层的残余应力值；
(5-2)根据式(1)获得的一组离散点K值，建立起K与各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(t) (2)；
(5-3)针对基准件中不同厚度Hi(i＝1，2，…，n)的凸起，重复步骤5-1～5-3，获得各凸起不同初始厚度下K的值，建立K与初始厚度H的函数关系：
K＝f(H) (3)。
进一步，所述步骤(6)，根据式(2)、(3)，拟合回归获得K与初始厚度H、各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(H，t) (4)。
进一步，所述步骤(7)，具体过程如下：针对伴随件，采用X射线衍射法获得表层残余应力；采用盲孔法获得近表层残余应力；采用轮廓法及中子衍射法测量内部残余应力。
进一步，所述步骤(8)，具体过程如下：基于步骤(7)获得的伴随件残余应力分布值，利用公式(4)，获得基准件相应位置的残余应力值。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明在评估镁合金筒形件残余应力时，设计伴随件，能够在不破坏基准件的基础上，获得基准件各个位置残余应力的分布及数值，能够对带内筋和凸台的复杂筒形件的残余应力进行有效、快速地评估。
附图说明
图1是本发明实施例中镁合金筒形件的结构示意图。
图2是本发明实施例的方法流程图。
图3图1所示实施例的伴随件的结构示意图。
图4图1所示实施例的凸台的横截面示意图。
图5图1所示实施例的伴随件的横截面示意图。
图6图1所示实施例的凸台分成m层的示意图。
图7图1所示实施例的伴随件成m层的示意图。
图中，1—凸台，2—内筋。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例所评估的镁合金筒形件如图1所示，筒形件内存在较多凸台1和内筋2，本实施例中凸台1和内筋2统称为凸起。
参照图2，本实施例镁合金筒形件残余应力评估预测方法包括以下步骤：
步骤1：参照图3～5，将原始的筒形件作为“基准件”，基准件中凸起的数量为n，凸起表示为Ai(i＝1，2，…，n)，凸起Ai的厚度表示为Hi；根据基准件中不同厚度Hi的凸起，设计n个与各凸起厚度相同的平板件，作为“伴随件”，伴随件表示为Bi，各伴随件与各厚度相同的凸起相对应。
步骤2：参照图3，设计伴随件尺寸及材料：伴随件的长、宽尺寸设置为其自身厚度的3倍以上，伴随件材料设计为与基准件相同，伴随件在该尺寸下热处理过程中长宽方向散热对厚度方向应力的影响可以忽略。本实施例中，伴随件的长、宽尺寸设置为其自身厚度的4倍。
步骤3：将基准件和所有伴随件同时放入相同的固溶热处理炉中，加热到525℃固溶温度，并保温12小时，然后快速取出，空冷。具体为：采用固溶空冷热处理工艺，基准件和所有伴随件的固溶加热过程在高温电阻炉中进行，在加热炉预热后放入基准件和伴随件，随炉加热，固溶温度设置为525℃，固溶保温时间为12小时。在加热炉预热过程中提前加入硫铁矿，通过在加热过程中热分解产生SO2气体，对热处理工件进行阻燃保护。固溶保温结束后，将基准件和伴随件迅速转移出加热炉，置于空气中采用空冷的方式冷却。
步骤4：使用有限元软件基于相同的热处理工艺，得到基准件和伴随件残余应力仿真结果。
步骤5：基于仿真结果，参照图6，选定基准件中一个初始厚度H1的凸起A1，沿厚度方向分成m层，各层的厚度分别表示为tj(j＝1，2，…，m)；参照图7，将与凸起A1对应的伴随件B1沿厚度方向分成m层，各层的厚度与凸起A1各层厚度相同；提取凸起A1和伴随件B1从1～m层的残余应力值，获得凸起A1和伴随件B1相同位置残余应力之间的比例关系，如式(1)所示，得到m个离散点K值。
Figure BDA0003065310190000071
式中，σj为凸起A1沿着厚度方向第j层的残余应力值，
Figure BDA0003065310190000072
为伴随件B1沿着厚度方向第j层的残余应力值。
步骤6：根据式(1)获得的一组离散点K值，建立起K与各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(t) (2)
步骤7：针对基准件中不同厚度Hi(i＝1，2，…，n)的凸起，重复步骤5～6，获得各凸起不同初始厚度下K的值，建立K与初始厚度H的函数关系：
K＝f(H) (3)
步骤8：根据式(2)、(3)，拟合回归获得K与初始厚度H、各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(H，t) (4)
步骤9：针对每个伴随件，采用实验测得伴随件全厚度方向残余应力分布值，具体实现方式为：采用X射线衍射法获得表层残余应力；采用盲孔法获得近表层残余应力；采用轮廓法及中子衍射法测量内部残余应力。
步骤10：基于步骤9获得的伴随件残余应力分布值，利用公式(4)，获得基准件相应位置的残余应力值。
本发明在评估带内筋和凸台的复杂镁合金筒形件残余应力时，设计伴随件，能够在不破坏基准件的基础上，获得基准件各个位置残余应力的分布及数值。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原始的筒形件作为“基准件”，根据基准件内凸起的数量设计相同数量的“伴随件”；
(2)设计伴随件的尺寸及材料；
(3)将基准件和伴随件同时放入固溶热处理炉中处理；
(4)使用仿真软件基于相同的热处理工艺，得到基准件和伴随件残余应力仿真结果；
(5)基于仿真结果，将基准件的凸起和伴随件沿厚度方向分成m层；提取凸起和伴随件从1～m层的残余应力值，获得凸起和伴随件相同位置残余应力之间的比例关系，建立比例值与各层厚度之间的函数关系及比例值与凸起初始厚度的函数关系；
(6)根据比例值与各层厚度之间的函数关系及比例值与凸起初始厚度的函数关系，拟合比例值与凸起初始厚度、各层厚度之间的函数关系；
(7)针对每个伴随件，采用实验测得伴随件全厚度方向残余应力分布值；
(8)基于伴随件残余应力分布值，利用比例值与凸起初始厚度、各层厚度之间的函数关系，获得基准件相应位置的残余应力值。
2.如权利要求1所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(1)，具体过程如下：将原始的筒形件作为“基准件”，基准件中凸起的数量为n，凸起表示为Ai(i＝1，2，…，n)，凸起Ai的厚度表示为Hi；根据基准件中不同厚度Hi的凸起，设计n个与各凸起厚度相同的平板件，作为“伴随件”，伴随件表示为Bi，各伴随件与各厚度相同的凸起相对应。
3.如权利要求1或2所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(2)，具体过程如下：所述伴随件的长、宽尺寸设置为其自身厚度的3倍以上；伴随件材料设计为与基准件相同。
4.如权利要求1或2所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(3)，具体过程如下：将基准件和所有伴随件同时放入相同的固溶热处理炉中，加热到500～550℃固溶温度，并保温10～14小时，然后快速取出，空冷。
5.如权利要求2所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(5)，包括以下步骤：
(5-1)基于仿真结果，选定基准件中一个初始厚度H1的凸起A1，沿厚度方向分成m层，各层的厚度分别表示为tj(j＝1，2，……，m)；将与凸起A1对应的伴随件B1沿厚度方向分成m层，各层的厚度与凸起A1各层厚度相同；提取凸起A1和伴随件B1从1～m层的残余应力值，获得凸起A1和伴随件B1相同位置残余应力之间的比例关系，如式(1)所示，得到m个离散点K值，
Figure FDA0003065310180000021
式中，σj为凸起A1沿着厚度方向第j层的残余应力值，
Figure FDA0003065310180000031
为伴随件B1沿着厚度方向第j层的残余应力值；
(5-2)根据式(1)获得的一组离散点K值，建立起K与各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(t) (2)；
(5-3)针对基准件中不同厚度Hi(i＝1，2，…，n)的凸起，重复步骤5-1～5-3，获得各凸起不同初始厚度下K的值，建立K与初始厚度H的函数关系：
K＝f(H) (3)。
6.如权利要求5所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(6)，根据式(2)、(3)，拟合回归获得K与初始厚度H、各层厚度t之间的函数关系：
K＝f(H，t) (4)。
7.如权利要求1或2所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(7)，具体过程如下：针对伴随件，采用X射线衍射法获得表层残余应力；采用盲孔法获得近表层残余应力；采用轮廓法及中子衍射法测量内部残余应力。
8.如权利要求6所述的镁合金筒形件残余应力评估预测方法，其特征在于：所述步骤(8)，具体过程如下：基于步骤(7)获得的伴随件残余应力分布值，利用公式(4)，获得基准件相应位置的残余应力值。
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