铝合金预拉伸板材残余应力测试及工件变形预测系统开发

摘要

高强度变形铝合金因其密度小、强度高、抗应力腐蚀性能好等优点，是航空整体结构件的常用材料。航空整体结构件因其结构复杂、尺寸大、薄壁部位多、材料去除率高、整体刚性差等特点，加工过后通常会出现扭转、弯曲或弯扭组合等加工变形，成为制约我国航空整体结构件制造的关键难题之一。本文针对铝合金预拉伸板材毛坯初始残余应力的检测，借助理论分析、实验研究进行基于裂纹柔度法的残余应力检测标准化、规范化测试规程研究，并开发了数据处理平台自动化完成不确定度分析和残余应力计算;针对整体结构件加工变形的预测问题，基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术，采用用户自定制程序开发了整体结构件变形预测系统，为变形预测的工程化应用提供支持。
　　基于裂纹柔度法的测试基本原理，针对残余应力测试规程进行了规范化、系统化的整理，并对柔度函数的有限元计算建模建立了标准化的流程，同时考虑误差的两个主要来源，基于应力计算不确定性分析确定最佳的收敛阶数，并完成了铝合金预拉伸板材Al7050-T7451和Al2121-T851的残余应力检测。
　　进行ABAQUS软件的二次开发，研究了“生死单元”技术、“LoadCase”载荷施加技术和Fortran子程序构件，采用插件的开发方式对柔度函数仿真计算的前、后处理进行模块开发;基于Matlab的GUI功能模块，通过编程完成应变不确定度分析和残余应力的计算。
　　采用有限元软件ABAQUS，针对特定典型整体结构件，通过嵌入用户子程序模型，整合铣削工艺参数和刀具结构参数与加工应力的关系，运用“生死单元”技术，采用应用程序方式开发用户自定制界面的仿真系统，实现整体结构件变形预测仿真分析前处理、作业提交及后处理操作的参数化和自动化。
　　设计了三框薄壁结构件，采用特定的切削参数和刀具进行了铣削实验，并采集相关变形数据，通过对比实验变形数据和仿真处理结果验证了整体结构件变形预测系统的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 残余应力的测试方法的研究现状

1．2．1 铝合金预拉伸板材残余应力的产生及特点

1．2．2 残余应力测试方法、特点

1．2．3 铝合金预拉伸板材残余应力测试方法分析

1．3 整体结构件变形预测研究现状

1．4 ABAQUS的二次开发概况

1．5 存在问题及课题的提出

1．6 论文主要研究内容与框架

第二章 铝合金预拉伸板材的残余应力测试

2．1 引言

2．2 裂纹柔度法残余应力测试基本原理

2．3 裂纹柔度法残余应力测试规程

2．3．1 测试设备

2．3．2 测试规程

2．4 柔度函数的计算

2．5 应力不确定性分析

2．5．1 不确定度的计算公式

2．5．2 应变误差的应力计算不确定度计算

2．5．3 模型误差的应力不确定度和整体不确定度计算

2．6 实验结果与讨论

2．7 本章小结

第三章 裂纹柔度法残余应力自动计算系统开发

3．1 引言

3．2 ABAQUS二次开发理论基础

3．2．1 ABAQUS脚本接口二次开发

3．2．2 图形用户接口二次开发

3．3 基于ABAQUS柔度函数计算系统开发

3．3．1 柔度函数建模关键技术

3．3．2 柔度函数计算软件结构设计

3．3．3 柔度函数计算系统

3．3．4 DLOAD用户子程序

3．3．5 柔度函数计算软件使用说明

3．4 基于Matlab的数据处理平台

3．4．1 应力计算软件结构设计

3．4．2 应力计算软件使用手册

3．5 本章小结

第四章 整体结构件变形预测系统开发

4．1 引言

4．2 变形预测系统结构设计

4．2．1 变形预测系统性能要求

4．2．2 整体结构件变形预测系统设计方案

4．2．3 变形预测系统模块设计

4．3 整体结构件仿真系统框架组成

4．4 整体结构件仿真系统设计

4．4．1 系统的启动

4．4．2 系统主窗口设计

4．4．3 前处理设计

4．4．4 后处理设计

4．5 本章小结

第五章 航空整体结构件变形预测结果试验验证

5．1 引言

5．2 三框薄壁件铣削实验

5．2．1 工件尺寸结构设计

5．2．2 薄壁件铣削实验

5．3．3 仿真系统三框薄壁件开发

5．3 加工变形分析及验证

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与参研课题

致谢