CN113378442A - 一种铝合金锻件残余应力的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金锻件残余应力的表征方法，包括建立和优化锻件三维淬火‑冷压有限元模型，获得锻件淬火及冷压后残余应力场分布的数据；在实际锻件表面选取特征点，并测量上述特征点处的实际残余应力值；将特征点实际残余应力值与仿真模型中该特征点的残余应力值进行对比，计算各特征点所处区域的应力场修正系数；编写脚本程序，基于锻件模拟的淬火残余应力场和修正系数，对特征点所处区域的残余应力场进行反算，从而获得更加准确的淬火残余应力场。本发明通过锻件特征点的残余应力值反算锻件整体残余应力场的方法，可快速的表征锻件各个加工状态下残余应力的大小及分布特点，解决锻件加工生产过程中不能对其残余应力进行及时监测的问题。

Description

一种铝合金锻件残余应力的表征方法
技术领域
本发明属于材料分析测试技术领域，尤其涉及一种铝合金锻件残余应力的表征方法。
背景技术
残余应力在材料加工及成型过程中会不可避免的存在，残余应力的大小对材料、零件的寿命和性能有着至关重要的影响，因此对残余应力的精确测定对于材料的性能研究有着至关重要的意义。当前对锻件进行残余应力消减的工艺比较成熟，但是如何实现对锻件残余应力消减效果的准确评价仍然一大难题，因此迫切需要发展一种快捷、低成本并可用于生产现场测试的残余应力评价方法。
目前，残余应力的表征方法主要包括小孔法、X射线衍射法、中子衍射法等，其中小孔法和X射线衍射法的缺点在于两种方法都只能测试工件表面残余应力，并且小孔法为破坏性方法，测试时比较繁琐及效率低，无法对工件整体残余应力状态进行评价，而X射线衍射法测试深度过浅，无法体现工件的宏观残余应力状态。此外，目前发展的测试深度更深、准确度更高且无损的中子衍射等方法则只能在实验室条件下进行测试。
随着有限元分析软件的发展，Abaqus、ANASY等有限元分析软件越来越多被用来分析和表征结构件的残余应力。而在结构件残余应力模型建立和优化后，实际生产过程中往往存在一定的工艺波动，从而导致实际残余应力分布与模拟值不同。为表征实际的残余应力分布，通常做法是通过微调模型的边界条件、材料参数等，使结构件残余应力的数值模拟值尽可能的与实测值接近，从而以数值模拟结果作为结构件残余应力状态的间接评价。此方法存在的问题是需要对同一模型需要进行多次优化，模拟计算工作量大、效率较低，面对不同工件或不同工艺条件时往往需要耗费大量时间。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种铝合金锻件残余应力的表征方法，以快速、全面地表征不同状态下锻件的残余应力分布状态。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金锻件残余应力的表征方法，包括如下步骤：
步骤1：利用Abaqus有限元模拟软件建立和优化锻件三维淬火-冷压有限元模型，采用热-力耦合分析模拟锻件淬火-冷压过程，获得锻件淬火及冷压后的残余应力场分布数据；
步骤2：在实际锻件表面选取特征点，利用表面残余应力测试方法来测量上述特征点处的实际残余应力值；
步骤3：将特征点实际残余应力值与仿真模型中该特征点的残余应力值进行对比，结合仿真模型，计算各特征点所处区域的应力场修正系数；
步骤4：编写脚本程序，通过脚本程序导出仿真模型淬火及冷压后的应力场数据，根据步骤3所得修正系数对应力场数据进行修正；
步骤5：对Abaqus有限元模拟软件进行二次开发，编写脚本程序对仿真模型中各特征点附近区域应力场进行反推计算，得到锻件整体残余应力分布，对锻件整体残余应力场进行预测及表征。
具体的，步骤1中所涉及的材料热物性参数包括：密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、热膨胀系数、比热容、热处理工艺参数以及淬火过程中的换热系数。
具体的，步骤1中所涉及的锻件淬火工艺为：淬火介质为水，淬火介质温度为40℃，淬火时间为900s，锻件各表面同时接触淬火介质，在淬火过程中水温不发生变化；
锻件分段冷压工艺参数为：锻件采用五道次分度冷压工艺，用于模冷压的钢板尺寸为6000mm×130mm×6mm，模具下压量为2.5％，每两个道次间钢板的搭接量为50mm。
具体的，步骤2中所涉及的特征点选取的位置为锻件表面，特征点位于同一直线上，且任意相邻特征点间的距离保持相同。
具体的，步骤4中通过python脚本程序来导出仿真模型淬火及冷压后的应力场数据。
具体的，步骤5中编写Python脚本程序对仿真模型中各特征点附近区域应力场进行反推计算，并进一步反推计算锻件整体残余应力分布，获得锻件整体残余应力场云图。
原理与优势：
本方法在结合实测法与有限元模拟法模拟残余应力的基础上，通过Python对Abaqus有限元模拟软件进行二次开发来反推计算锻件整体残余应力分布。本方法不需要通过多次微调表面换热系数、边界条件来优化有限元模型中以获得与实测结果比较接近的锻件残余应力场，而是在有限元模型基础上，通过反算来获得与实测结果吻合度更高的锻件残余应力场。通过本方法可有效加快效率、缩短工作时间、减小模拟工作量并获得与实测结果匹配度更高的残余应力场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中建立的锻件淬火-冷压有限元模型示意图；
图2是本发明实施例1中通过Abaqus软件模拟锻件淬火得到的淬火后残余应力场；
图3是本发明实施例1中通过反算法获得的锻件淬火残余应力场；
图4是本发明实施例2中通过Abaqus软件模拟锻件冷压得到的冷压后残余应力场；
图5是本发明实施例2中通过反算法获得的锻件冷压残余应力场。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
一种铝合金锻件残余应力的表征方法，包括如下步骤：
步骤1、利用Abaqus有限元模拟软件建立和优化锻件三维淬火-冷压有限元模型，采用热-力耦合分析模拟锻件淬火-冷压过程，获得锻件淬火及冷压后的残余应力场分布数据。
本实施例以400mmx400x80mm规格的7050铝合金锻件为例，7050各项物理性能及力学性能参数如下表1所示，热处理工艺参数如下表2所示，不同温度下的对流换热系数如下表3所示。基于上述参数使用Abaqus有限元分析软件建立锻件的三维淬火有限元模型，模拟锻件淬火的过程，并求解锻件淬火后残余应力场分布，如图2所示。利用Abaqus软件建立的锻件有限元模型如下图1所示。
表1 7050铝合金力学性能和热物理性能参数
Figure BDA0003139806620000041
表2热处理工艺参数
Figure BDA0003139806620000051
表3对流换热系数
Figure BDA0003139806620000052
步骤2：在相同尺寸的实际锻件上表面沿长度中心轴线等距选取4个特征点，采用小孔法对特征点位置的残余应力进行测试，获得上述4个特征点处的实际残余应力值。
步骤3：将特征点实际残余应力值与仿真模型中该特征点的残余应力值进行对比，结合仿真模型，计算各特征点所处区域的应力场修正系数，修正系数如下表4所示。
步骤4：搭建python开发环境，编写python脚本程序，通过脚本程序导出仿真模型淬火及冷压后的应力场数据，根据步骤3所得修正系数对应力场数据进行修正。
步骤5：对Abaqus有限元模拟软件进行二次开发，编写python脚本程序，基于锻件模拟的淬火残余应力场和修正系数，对特征点所处区域的残余应力场进行反算，从而获得更加准确的淬火残余应力场。下图3为采用反算法获得的锻件淬火残余应力场。
本方法在结合实测法与有限元模拟法表征残余应力的基础上，通过Python对Abaqus有限元模拟软件进行二次开发来反推计算锻件整体残余应力分布，在大大提高效率并缩短模拟时间的同时来准确表征锻件的残余应力场。
实施例2
对上述7050铝合金锻件进行5道次分段冷压，并采用Abaqus软件建立有限元模模型模拟冷压过程，获得锻件冷压残余应力场。
冷压消减残余应力的各项参数为：
(1)用于模冷压的钢板尺寸：6000mm×130mm×6mm；
(2)模具下压量：2.5％；
(3)模具下压速度：0.2mm/s；
(4)每次冷压完成之后，下一次冷压时，钢板的搭接量为50mm。
Abaqus软件模拟得到的锻件冷压残余应力场如下图4所示。
随后在相同尺寸的锻件上表面沿长度中心轴线等距选取4个特征点，采用小孔法对特征点位置的残余应力进行测试，将特征点实际残余应力值和模拟残余应力值进行对比，根据表面残余应力实测结果求得特征点所处区域的残余应力场修正系数。修正系数如下表5所示，图5为采用反算法获得的锻件淬火残余应力场。
表5锻件冷压残余应力场修正系数表
特征点 修正系数
1 1.25
2 0.88
3 1.13
4 0.94
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种铝合金锻件残余应力的表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用Abaqus有限元模拟软件建立和优化锻件三维淬火-冷压有限元模型，采用热-力耦合分析模拟锻件淬火-冷压过程，获得锻件淬火及冷压后的残余应力场分布数据；
步骤2：在实际锻件表面选取特征点，利用表面残余应力测试方法来测量上述特征点处的实际残余应力值；
步骤3：将特征点实际残余应力值与仿真模型中该特征点的残余应力值进行对比，结合仿真模型，计算各特征点所处区域的应力场修正系数；
步骤4：编写脚本程序，通过脚本程序导出仿真模型淬火及冷压后的应力场数据，根据步骤3所得修正系数对应力场数据进行修正；
步骤5：对Abaqus有限元模拟软件进行二次开发，编写脚本程序对仿真模型中各特征点附近区域应力场进行反推计算，得到锻件整体残余应力分布，对锻件整体残余应力场进行预测及表征。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于：步骤1中所涉及的材料热物性参数包括：密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、热膨胀系数、比热容、热处理工艺参数以及淬火过程中的换热系数。
3.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于：步骤1中所涉及的锻件淬火工艺为：淬火介质为水，淬火介质温度为40℃，淬火时间为900s,锻件各表面同时接触淬火介质，在淬火过程中水温不发生变化；
锻件分段冷压工艺参数为：锻件采用五道次分度冷压工艺，用于模冷压的钢板尺寸为6000mm×130mm×6mm，模具下压量为2.5％，每两个道次间钢板的搭接量为50mm。
4.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤2中所涉及的特征点选取的位置为锻件表面，特征点位于同一直线上，且任意相邻特征点间的距离保持相同。
5.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤4中通过python脚本程序来导出仿真模型淬火及冷压后的应力场数据。
6.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤5中编写Python脚本程序对仿真模型中各特征点附近区域应力场进行反推计算，并进一步反推计算锻件整体残余应力分布，获得锻件整体残余应力场云图。
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袁武华等: "波纹曲面结构对冷压消减7050铝合金残余应力的影响", 《热加工工艺》 *

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