铝合金厚板内应力演变规律及残余应力场评估模型研究

摘要

高强、高韧、耐腐蚀且低残余应力水平的高性能铝合金厚板，是现代航空航天领域不可或缺的关键结构材料。然而，为了获得良好的综合性能，铝合金厚板必须进行固溶和淬火、时效处理，然而淬火处理不可避免地在厚板内部引入了很大的残余应力。残余应力的存在，直接对厚板的后续机械加工造成影响，引起加工零件的变形，造成极大的危害。因此，开展高强铝合金厚板残余应力及其评估、预测方法的研究具有十分重要的意义。
　　 本文的研究工作得到了国家重点基础研究发展计划项目“高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究”之第八子课题“大规格铝材非均匀多相组织和内应力场的产生与演变”(编号:2005CB623708)，国家重点基础研究发展计划项目“航空航天用高性能轻合金大型复杂结构件制造的基础研究”之第三子课题“大型薄壁构件塑变与去除成形及其内应力与表面完整性主动控制”(编号:2010CB731703)，湖南省研究生科研创新项目的资助。
　　 本文以7075铝合金轧制厚板为研究对象，采用数值模拟和实验研究的方法，围绕铝合金厚板加工制备的几个重要环节开展厚板残余应力的相关基础研究，从而为大规格高强铝合金厚板制备的工艺参数优化、残余应力调控提供理论支持。本论文的研究工作，主要包括以下几个方面:
　　 1.建立了参数化的厚板残余应力预测模型。推导了厚板淬火过程的瞬态温度场与瞬态应力场、预拉伸过程应力场的计算公式，根据厚板制备过程的三大非线性因素:材料物热参数的非线性、厚板淬火表面换热边界条件的非线性和本构非线性，建立了厚板内应力分析非线性模型，在此基础上建立了厚板内应力分析的MSC.Patran/Marc参数化模型。运用建立的计算模型，分析了厚板内应力的演变规律，总结了厚板残余应力场的分布规律和预拉伸对厚板残余应力的影响规律，研究了拉伸率对厚板应力消减的定量关系;分析了非均匀淬火引起的板形翘曲，并研究了拉伸矫直对板型的改善作用。为后续的厚板残余应力评估模型研究奠定了理论基础，为厚板制备工艺的规划提供了应力预测方法。
　　 2.研究了裂纹柔度法在铝合金厚板深层残余应力测试中的应用。对裂纹柔度法计算的不确定度进行了评定;研究了取样后试件内部残余应力的释放规律，分析了试样尺寸对计算结果的影响，并总结了合理的试件尺寸;分析了裂纹柔度法算法中的实验误差，并对实验误差进行了修正;运用有限元方法，对裂纹柔度法和层削法用于深层残余应力测试时的计算能力进行了验证;结合有限元分析与实验研究，对裂纹柔度法和层削法计算结果进行了对比分析，确定了深层残余应力测试的有效性。
　　 3.建立了厚板残余应力场评估模型。以数值计算为基础，根据获得的厚板应力分布，运用数学方法，构建了厚板内应力分布的线型函数;运用多元非线性回归理论，建立了厚板内应力分布关键点应力值的回归模型，从而构建了铝合金厚板残余应力场评估数学模型;结合厚板残余应力实验研究，获得了实验条件下的应力分布线型函数，对关键点应力值回归模型进行了修正，提高了回归模型的计算精度。为铝合金厚板产品和后续机械加工的残余应力评估提供了有效的手段，简化了应力评估工序，提高了应力评估效率。

目录

声明

摘要

符号及其单位

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 铝合金厚板残余应力研究现状

1．2．1 残余应力的定义

1．2．2 厚板残余应力的产生与调控

1．2．3 残余应力测试方法

1．2．4 厚板残余应力评估现状

1．2．5 存在的问题

1．3 本文选题意义与研究内容

第2章 铝合金厚板内应力演变规律研究

2．1 铝合金厚板内应力分析建模

2．1．1 淬火温度场计算

2．1．2 淬火应力场计算

2．1．3 预拉伸过程应力场计算

2．1．4 非线性因素

2．1．5 厚板应力分析参数化建模

2．2 厚板淬火过程温度场-应力场变化规律

2．2．1 厚板淬火过程温度变化规律

2．2．2 厚板淬火应力分布规律

2．3 预拉伸对残余应力的调控规律

2．3．1 预拉伸过程中厚板内应力演变规律

2．3．2 拉伸率对残余应力的影响

2．3．3 拉伸率与应力消减率的关系

2．4 非均匀淬火及板形矫直研究

2．5 本章小结

第3章 裂纹柔度法在厚板内部应力测试中应用的研究

3．1 内部残余应力测试理论

3．1．1 层削法

3．1．2 裂纹柔度法

3．2 裂纹柔度法计算应力不确定度评定

3．2．1 不确定度传递

3．2．2 应变测量中的随机误差

3．2．3 单个应变数据中的不确定度

3．2．4 模型不确定度

3．2．5 总不确定度

3．3 试件取样分析

3．3．1 取样建模

3．3．2 锯切后试样应力分布规律

3．3．3 应力释放区大小

3．3．4 试样尺寸的选择

3．4 实验过程误差因素分析

3．4．1 裂纹引入方法的影响

3．4．2 试件装夹的影响

3．4．3 重力因素的影响及修正

3．5 深层应力测试有效性研究

3．5．1 算法验证

3．5．2 有效性分析

3．6 本章小结

第4章 铝合金厚板残余应力场评估模型

4．1 模型构建路线

4．2 应力分布线型函数

4．2．1 淬火应力分布线型函数

4．2．2 拉伸板应力分布线型函数

4．3 应力分布关键点应力值回归

4．3．1 淬火板应力关键点回归模型

4．3．2 预拉伸板应力关键点回归模型

4．4 构建应力场评估函数

4．5 厚板应力分布实验研究

4．5．1 实验设计

4．5．2 淬火板应力分布规律

4．5．3 淬火速率对残余应力的影响

4．5．4 预拉伸板应力分布规律

4．5．5 实验获得的应力分布线型函数

4．5．6 关键点回归模型实验修正

4．5．7 厚板应力场评估模型工程应用

4．6 本章小节

第5章 总结与展望

5．1 本文的主要成果

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果