CN108595895A - 一种用于预测铝合金大型构件残余应力的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于预测铝合金大型构件残余应力的方法及***，属于热处理及机械加工领域。本发明是为了解决现有***无法准确预测复杂变化的残余应力的缺点而提出的，包括：在铝合金构件内设置热电偶，将铝合金构件加热至固溶温度并保温均匀，再进行淬火，记录热电偶的温度变化；根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果；将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果；将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布；对铝合金构件进行残余应力及变形预测。本发明适用于铝合金大型构件制造全过程的残余应力控制与预测***。

Description

一种用于预测铝合金大型构件残余应力的方法及***

技术领域

本发明涉及一种用于预测铝合金大型构件残余应力的方法及***，属于热处理及机械加工领域。

背景技术

铝合金具有优良的综合性能，广泛地应用于航空航天工业。为了获得高的强度，固溶淬火处理是铝合金重要的热处理工序，在淬火处理过程中会引入很大的残余应力，对构件的尺寸稳定性、应力腐蚀性能、疲劳强度等性能有很大的影响，而且，受坯材残余应力以及机加工残余应力影响，易产生很大的加工变形，加工变形是航空航天结构件制造技术所面对的最突出问题之一。调控和预测铝合金坯材中的残余应力，对减小构件的加工变形，提高构件的尺寸稳定性等性能具有重要的意义。从铝合金坯材到构件加工完成，需要经过多个工序，残余应力的演变是一个连续的的***过程，残余应力的复杂变化给后续加工变形的控制与优化带来困难。现有的***无法准确预测复杂变化的残余应力，无法解决加工变形的控制与优化过程中遇到的问题。

因此，需要建立铝合金大型构件制造全过程的残余应力控制与预测***，实现对铝合金大型构件的应力演变进行连续、可靠的描述。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有***无法准确预测复杂变化的残余应力的缺点，而提出一种预测铝合金大型构件残余应力的方法，包括：

步骤一、在铝合金构件内设置热电偶，将铝合金构件加热至固溶温度并保温均匀，再进行淬火，记录热电偶的温度变化；根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果；

步骤二、将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果；

步骤三、将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布；

步骤四、对铝合金构件进行残余应力及变形预测。

本发明还提供一种预测铝合金大型构件残余应力的***，包括：

温度场变化计算模块，用于根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果；

淬火残余应力计算模块，用于将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果；

模压后残余应力计算模块，用于将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布；

预测模块，用于对铝合金构件进行残余应力及变形预测。

本发明的有益效果为：能够实现对铝合金大型构件的应力演变进行连续、可靠的描述，实现大型构件制造全过程的残余应力优化调控，提高构件加工变形及尺寸稳定性。本发明可以准确预测铝合金构件淬火残余应力和铝合金构件模压后的残余应力。并且在一个实施例中，本发明预测值与实验测试值最大偏差为13％，说明本发明可以较好地预测铝合金构件变形。

附图说明

图1为本发明一个实施例的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的步骤一中测温装置的示意图，其中A、B、C、D、E、F为设置在不同位置的热电偶；六面体为铝合金大型构件的试样；

图3为本发明一个实施例的步骤一三的流程图；

图4为本发明一个实施例的不同温度、不同表面的换热系数对比图；

图5为本发明一个实施例的根据换热计算得到的试样温度变化与实验测试结果对比图；

图6为本发明一个实施例的铝合金构件淬火后的残余应力模拟结果与测试结果对比图，其中图6(a)为铝合金构件残余应力预测结果图，图6(b)为)铝合金构件残余应力测试结果图；

图7为本发明一个实施例的铝合金构件经过2％的模压变形量压缩后的残余应力模拟结果与测试结果对比图；其中图7(a)为铝合金构件残余应力预测结果，图7(b)为铝合金构件残余应力测试结果；

图8为本发明一个实施例的步骤四中的变形预测流程图；

图9为本发明一个实施例预测的构件变形分布图；

图10为图9中的构件底面变形的实验值与预测值对比图；

图11为本发明的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，如图1所示，包括：

步骤一、在铝合金构件内设置热电偶，将铝合金构件加热至固溶温度并保温均匀，再进行淬火，记录热电偶的温度变化；根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果。

在铝合金构件内设置热电偶的示意图如图2所示，图2中立方体表示铝合金构件试样，热电偶***在测温装置的不同位置，通过热电偶的测温结果可以绘制出淬火过程中的冷却曲线。

步骤二、将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果。

步骤三、将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布。模压模具仿真***是用于模拟模压过程的软件仿真程序，模拟的过程和结果是程序根据数据进行计算过程。本发明没有对软件仿真的过程做改进，因此模压模具仿真***可以使用已有的仿真程序。

步骤四、对铝合金构件进行残余应力及变形预测。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：

淬火过程中的应力演变通常是由淬火期间铝合金构件中瞬态温度场的分布不均引起的热应变分布不均而产生的。淬火应力的预测需要准确的温度场计算。构件温度场的精确计算依赖于淬火表面换热系数的计算。淬火过程温度场计算(步骤一)具体为：

步骤一一、如图2所示，在铝合金构件内的多个预设位置处分别设置热电偶，热电偶与数据采集***连接，将铝合金构件置于加热装置中加热至固溶温度并保温均匀，以少于2s的转移时间将铝合金构件放入介质中进行淬火，淬火介质的温度为T_c，通过数据采集***记录热电偶的温度变化。

步骤一二、建立直角坐标系下三维导热微分方程

式中c为比热容；ρ为密度；λ为热传导系数；t为时间；T为温度。

初始条件为：

T|_t＝0＝T₀(x,y,z)

边界条件为：

其中下标s为构件的边界范围；为综合换热系数；Tw为为构件边界的温度；Tc为介质温度；表示温度梯度。

步骤一三、基于有限元计算方法，对铝合金构件进行有限元网格划分；如图3所示，选取一个综合换热系数的初始值，利用有限元方法计算当前测量位置的下一个时间步长的温度场，将计算得到的理论温度与实测温度的差值，然后用遗传算法优化计算出新的热流密度，用优化后的热流密度计算出新的温度场，判断是否满足收敛判据，若满足收敛判据时停止计算；若不满足则继续迭代。此处综合换热系数的初始值可以随意选取，选取的初值对结果影响不大，主要影响收敛速度。具体选择换热系数的值时可以参照其他文献设定。本步骤的计算过程可以通过Matlab编写温度场求解程序进行运算。步骤一三的目的是，将步骤一二提供的理论公式通过确切的求解工具进行运算，即步骤一二为建立理论模型过程，步骤一三为通过程序语句具体得出运算结果的过程。

为了进一步说明本实施方式，可以参照图4说明不同表面的换热系数，图4中示出了上表面、侧面、下表面在不同温度下的换热系数，可以看出看到在三维传热情况下，各表面的换热系数是不同的。在一维传热的计算方法中，试样假设为所有表面的换热系数都是相同的，与实际的构件传热情况不同。

步骤一四、将计算的表面换热系数作为边界条件输入到有限元分析软件中计算大型铝合金构件的温度场变化。有限元分析软件可以选用ABAQUS软件。温度场变化绘制成曲线即为冷却曲线。如图5所示，图5为根据换热计算得到的试样温度变化与实验测试结果对比，从图中可以看出，计算结果与实验测试结果吻合较好，说明该***能准确的计算试样中的温度场。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一三中，收敛判据为：

式中，N为测试点的个数；T_i为第i步的测量值；T_i'为第i步的计算值。

在计算过程中，当f(x)小于一个预设值时，即认为收敛。例如，当f(x)小于一个极小值(1×10^-6)时，即认为求解过程收敛，计算结束。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：

淬火过程中的应力演变通常是由淬火期间铝合金构件中瞬态温度场的分布不均引起的热应变分布不均而产生的。材料热变形性能及力热参数是实施计算机模拟的数据基础和边界条件，其准确性决定了预测结果的准确性。淬火过程应力计算过程(步骤二)具体为：

步骤二一、建立如下公式：

其中A₁、A₂、A₃、n₁、α、β和n为材料常数，Q为变形激活能，T为绝对温度(K)，R为气体常数，为应变速率，σ为流变应力，Z为Zener-Hollomon参数；sinh为双曲正弦函数。公式(1)到公式(3)是近似变换的过程，因此A₁、A₂、A₃、n₁、α、β和n均是在近似的过程中可以根据实际情况调整的乘积系数，没有实际的含义。例如从公式(1)到公式(2)的变换，目的是用exp函数(即自然底数)去近似替换以σ为底数的幂函数，这个过程中不可避免地会使用新的系数A₂和β来保证近似程度，而这些系数的具体值可以根据实际情况进行求解。其余材料常数也是同理。公式(1)至(3)是为了得到公式(4)，公式(4)会参与后续运算。

步骤二二、通过有限元分析软件ABAQUS中的UHARD子程序对材料本构方程进行定义，其中UHARD子程序中包含四个变量，分别为SYIELD、HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)，SYIELD为材料在各项同性时的屈服应力，HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)分别为屈服应力对应变、变形温度、变形速率的导数；对材料本构方程进行定义具体过程为：

通过如下公式对UHARD子程序中包含四个变量进行求解：

HARD(1)＝0(6)

参数α、A₃、Z、n、Q能够通过不同速率、不同温度下的高温压缩实验得到，将SYIELD、HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)输入到有限元分析软件ABAQUS中。

步骤二三、将步骤一计算得到的温度场结果作为边界条件施加到淬火过程应力场模型中进行计算，获取淬火残余应力结果；其中淬火过程应力场模型是有限元分析软件ABAQUS中已有的模型。

通过本实施方式计算出的铝合金构件淬火后的残余应力模拟结果与测试结果对比图如图6(a)和图6(b)所示，可以看出模拟预测的结果与实验测试的结果吻合较好，说明本***可以准确的预测铝合金构件淬火残余应力。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：通过模压的方法可以有效的消减铝合金大型构件坯材的残余应力，有效降低后续加工过程中的变形。铝合金大型构件坯材模压过程仿真过程(步骤三)具体为：

步骤三一、在有限元分析软件ABAQUS中导入模压模具，用户通过人机交互界面进行参数设定，划分网格，依据模压加工过程模具与构件的装配信息在软件中对铝合金大型构件坯材装配；仿真***自动进行工件有限元建模的所有操作。

步骤三二、将步骤二中计算的淬火残余应力结果形成的文件导入铝合金大型构件坯材的网格模型中，依据模压加工参数对构件和模具施加力学边界条件并加载工况，进行应力场分析，获取模压后的残余应力分布；其中模压加工参数包括模具的固定方式、加载速率，加载位移。

图7为铝合金构件经过2％的模压变形量压缩后的残余应力模拟结果与测试结果对比，模拟预测的结果与实验测试的结果吻合较好，说明本***可以准确的预测铝合金构件模压后的残余应力。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：

航空铝合金大型构件大多结构复杂、尺寸较大，在现有技术的基础上很难在软件中实现对任意零件的自动化建模、自适应网格划分和装夹定位。为了实现对整体结构件加工变形的预测和补偿，开发了一套针对典型整体结构件的残余应力及变形预测***。机加工过程变形分析过程(步骤四)具体为：

步骤四一、用户通过有限元分析软件ABAQUS的人机交互界面选择铝合金构件的材料去除区域，加工路径和数控加工工艺参数等信息，对铝合金构件的坯材进行网格划分和边界条件定义；仿真***自动进行工件有限元建模的所有操作。

步骤四二、进行材料去除；具体为：依据加工路径，通过布尔运算和网格重划分功能对坯材进行去除，从而实现构件的整个的加工过程中的材料去除。

步骤四三、通过ABAQUS自动进行毛坯初始残余应力与加工残余应力之间的函数关系传递。

步骤四四、通过人机交互界面选择想要输出的结果信息，仿真***能够实现自动从结果文件中即时提取、输出及保存工件的应力场、应变场和变形等信息。

图8示出了本实施方式的流程图构件在加工过程中的变形主要是由于加工过程中，随着材料的去除，坯材的残余应力释放和机加工引入的表层残余应力引起的，所以通过计算坯材的残余应力释放，然后在在构件表面引入机加工残余应力耦合在一起计算构件的变形。

本实施方式中预测的构件变形分布如图9所示，图9中采用三坐标测量仪测试了底面的变形。

图10是对图9中底面变形的实验值与预测值对比图，从图中可以看出，预测的变形和测试结果吻合较好，预测值与实验测试值最大偏差为13％，说明利用本***可以较好的预测的铝合金构件变形。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式是基于具体实施方式一至六的结合实现的，流程图如图11所示。其中淬火过程温度场分析对应步骤一，淬火过程应力场分析对应于步骤二，模压过程应力场分析对应于步骤三，机加工过程变形分析对应于步骤四。

具体实施方式八，本实施方式提供一种用于预测铝合金大型构件残余应力的***，包括：

温度场变化计算模块，用于根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果。

淬火残余应力计算模块，用于将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果。

模压后残余应力计算模块，用于将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布。

预测模块，用于对铝合金构件进行残余应力及变形预测。

下面进一步地说明每个模块具体的功能：

温度场变化计算模块具体用于建立三维导热微分方程，并基于有限元计算方法，对铝合金构件进行有限元网格划分；选取一个综合换热系数h_c的初始值，利用有限元方法计算当前测量位置的下一个时间步长的温度场，将计算得到的理论温度与实测温度的差值，然后用遗传算法优化计算出新的热流密度，用优化后的热流密度计算出新的温度场，判断是否满足收敛判据，若满足收敛判据时停止计算；若不满足则继续迭代。还用于将迭代得到的表面换热系数作为边界条件输入到有限元软件中计算大型铝合金构件的温度场变化。由于温度场变化计算模块是可以自动进行运算的模块，在该模块执行运算之前，需要人工在铝合金构件内的多个预设位置处分别设置热电偶，热电偶与数据采集***连接，将铝合金构件置于加热装置中加热至固溶温度并保温均匀，以少于2s的转移时间将铝合金构件放入介质中进行淬火，淬火介质的温度为T_c，通过数据采集***记录热电偶的温度变化。

淬火残余应力计算模块用于建立公式(1)至公式(4)，并、通过有限元分析软件ABAQUS中的UHARD子程序对材料本构方程进行定义，其中UHARD子程序中包含四个变量，分别为SYIELD、HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)，SYIELD为材料在各项同性时的屈服应力，HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)分别为屈服应力对应变、变形温度、变形速率的导数。再通过公式(5)至(8)对UHARD子程序中包含四个变量进行求解。淬火残余应力计算模块还用于将温度场变化计算模块计算得到的温度场变化结果作为边界条件施加到淬火过程应力场模型中进行计算，获取淬火残余应力结果；其中淬火过程应力场模型是有限元分析软件ABAQUS中已有的模型。

模压后残余应力计算模块用于在有限元分析软件ABAQUS中导入模压模具，根据人工设定的参数、划分的网格，依据模压加工过程模具与构件的装配信息在软件中对铝合金大型构件坯材装配。还用于将淬火残余应力计算模块计算得到的淬火残余应力结果形成的文件导入铝合金大型构件坯材的网格模型中，依据模压加工参数对构件和模具施加力学边界条件并加载工况，进行应力场分析，获取模压后的残余应力分布；其中模压加工参数包括模具的固定方式、加载速率，加载位移。

预测模块用于根据用户在有限元分析软件ABAQUS的人机交互界面选择的铝合金构件的材料去除区域，加工路径和数控加工工艺参数等信息，进行工件的有限元建模。还用于依据加工路径，通过布尔运算和网格重划分功能对坯材进行去除，从而实现构件的整个的加工过程中的材料去除。还用于通过ABAQUS自动进行毛坯初始残余应力与加工残余应力之间的函数关系传递。还用于根据用户选择的待输出的结果信息，从结果文件中即时提取、输出及保存工件的应力场、应变场和变形等信息。

本实施方式的原理与具体实施方式一至七中记载的原理相似，区别之处在于本实施方式的模块均为软件程序模块，能够自动执行操作、运算，不需人工执行。但部分步骤需要人工预先做好准备工作后再由模块来执行，例如前述的热电偶***工件的过程是需要人工执行的，而程序模块是在硬件布置完毕后进行的自动运算。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，包括：

步骤一、在铝合金构件内设置热电偶，将铝合金构件加热至固溶温度并保温均匀，再进行淬火，记录热电偶的温度变化；根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果；

步骤二、将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果；

步骤三、将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布；

步骤四、对铝合金构件进行残余应力及变形预测。

2.根据权利要求1或2所述的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，步骤一具体为：

步骤一一、在铝合金构件内的多个预设位置处分别设置热电偶，热电偶与数据采集***连接，将铝合金构件置于加热装置中加热至固溶温度并保温均匀，以少于2s的转移时间将铝合金构件放入介质中进行淬火，淬火介质的温度为T_c，通过数据采集***记录热电偶的温度变化；

步骤一二、建立直角坐标系下三维导热微分方程

边界条件为：

其中下标s为构件的边界范围；为综合换热系数；T_w为为构件边界的温度；T_c为介质温度；表示温度梯度；λ为热传导系数；

步骤一三、基于有限元计算方法，对铝合金构件进行有限元网格划分；选取一个综合换热系数的初始值，利用有限元方法计算当前测量位置的下一个时间步长的温度场，将计算得到的理论温度与实测温度的差值，然后用遗传算法优化计算出新的热流密度，用优化后的热流密度计算出新的温度场，判断是否满足收敛判据，若满足收敛判据时停止计算；若不满足则继续迭代；

步骤一四、将迭代得到的表面换热系数作为边界条件输入到有限元软件中计算大型铝合金构件的温度场变化。

3.根据权利要求2所述的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，步骤一三中，收敛判据为：

式中，N为测试点的个数；T_i为第i步的测量值；T_i'为第i步的计算值；ΔT表示温度测量值与计算值的差值；

在计算过程中，当f(x)小于一个预设值时，即认为收敛。

4.根据权利要求3所述的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，步骤二具体为：

步骤二一、建立如下公式：

其中A₁、A₂、A₃、n₁、α、β和n为材料常数，Q为变形激活能，T为温度，R为气体常数，为应变速率，σ为流变应力，Z为Zener-Hollomon参数；sinh为双曲正弦函数；

步骤二二、通过有限元分析软件ABAQUS中的UHARD子程序对材料本构方程进行定义，其中UHARD子程序中包含四个变量，分别为SYIELD、HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)，SYIELD为材料在各项同性时的屈服应力，HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)分别为屈服应力对应变、变形温度、变形速率的导数；对材料本构方程进行定义具体过程为：

通过如下公式对UHARD子程序中包含四个变量进行求解：

HARD(1)＝0 (6)

参数α、A₃、Z、n、Q能够通过不同速率、不同温度下的高温压缩实验得到，将SYIELD、HARD(1)、HARD(2)、HARD(3)输入到有限元分析软件ABAQUS中；

步骤二三、将步骤一计算得到的温度场变化结果作为边界条件施加到淬火过程应力场模型中进行计算，获取淬火残余应力结果；其中淬火过程应力场模型是有限元分析软件ABAQUS中已有的模型。

5.根据权利要求4所述的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，步骤三具体为：

步骤三一、在有限元分析软件ABAQUS中导入模压模具，用户通过人机交互界面进行参数设定，划分网格，依据模压加工过程模具与构件的装配信息在软件中对铝合金大型构件坯材装配；仿真***自动进行工件有限元建模的所有操作；

步骤三二、将步骤二中计算的淬火残余应力结果形成的文件导入铝合金大型构件坯材的网格模型中，依据模压加工参数对构件和模具施加力学边界条件并加载工况，进行应力场分析，获取模压后的残余应力分布；其中模压加工参数包括模具的固定方式、加载速率，加载位移。

6.根据权利要求5所述的用于预测铝合金大型构件残余应力的方法，其特征在于，步骤四具体为：

步骤四一、用户通过有限元分析软件ABAQUS的人机交互界面选择铝合金构件的材料去除区域，加工路径和数控加工工艺参数等信息，对铝合金构件的坯材进行网格划分和边界条件定义；仿真***根据用于设定完成的信息自动进行工件有限元建模的所有操作；

步骤四二、进行材料去除；具体为：依据加工路径，通过布尔运算和网格重划分功能对坯材进行去除，从而实现构件的整个的加工过程中的材料去除；

步骤四三、通过ABAQUS自动进行毛坯初始残余应力与加工残余应力之间的函数关系传递；

步骤四四、通过人机交互界面选择待输出的结果信息，仿真***根据待输出的结果信息从结果文件中即时提取、输出及保存工件的应力场、应变场和变形等信息。

7.一种用于预测铝合金大型构件残余应力的***，其特征在于，包括：

温度场变化计算模块，用于根据热电偶的温度变化情况生成铝合金构件的温度场变化结果；

淬火残余应力计算模块，用于将温度场变化结果施加到淬火过程应力场模型中进行计算，得到淬火残余应力结果；

模压后残余应力计算模块，用于将淬火残余应力结果导入模压模具仿真***，得到模压后的残余应力分布；

预测模块，用于对铝合金构件进行残余应力及变形预测。