航空铝合金厚板初始残余应力测试与调控方法基础研究

摘要

随着航空制造业的发展，高性能的铝合金厚板因具有高耐腐蚀性、高强度、高韧性等特点而被广泛应用于飞机大型整体结构件的制造。然而，板厚的增加不仅加大了材料力学性能调控和残余应力消减的难度，同时也给毛坯初始残余应力的准确测量提出了新的挑战。本论文主要以航空用铝合金厚板为研究对象，从残余应力对加工变形的影响规律、应力的测量方法以及调控手段等几个方面展开深入研究。　　本文的主要研究工作及成果包括以下几方面内容：　　（1）初始残余应力释放与加工变形研究　　通过将材料的切削去除转化为残余应力的释放，利用静力平衡条件将作用于飞机结构件的残余应力等效为外力后，依据小变形理论建立了加工变形的分析模型。通过全面地考虑拉压、弯曲、以及转角引起的飞机结构件的厚向位置变化，利用叠加原理建立了残余应力再分布的力学模型，并通过实例进行了验证。　　（2）裂纹柔度法应力测试误差分析研究　　从裂纹柔度法的测试流程出发，利用数值仿真和切削实验相结合的方式，分析了应力计算误差的方向性规律，研究表明：基于勒让德多项式的裂纹柔度法计算的应力结果呈现出一种不完全对称的应力分布形式，且沿着切割方向误差呈震荡性减小。通过应力测试实验研究了试样在板材中所处位置对测试精度的影响，结果表明：板材中间区域应力相对于边缘区域，应力测试精度要更高，稳定性要更好。最后建立了应力-应变的相对误差数学模型，指出了应力计算误差跟系统矩阵的条件数有关，且应力拟合阶数越高，条件数也越高，应力计算误差也就越大。研究也同时表明：通过对系统进行初等变换可以改变系统的条件数，继而改变应力测试的精度。　　（3）铝厚板残余应力测试方法的研究　　通过单位力法理论建立了残余应力与加工变形的关系模型，并以应力释放对加工变形的影响规律以及单位力法原理为基础，分别构建了应力影响因子的解析式和有限元两种求解方法。分析结果表明：相对于解析方法，有限元法计算简单且不受零件结构的限制。以楔形零件为例，建立了应力反求模型，并分析了测量误差对应力计算误差的影响规律。最后，以条件数对应力计算的影响规律为基础，以减小应力计算误差、降低条件数为目标，设计了基于单位力的应力反求计算方法流程，并通过实例对该方法进行了对比验证。　　（4）淬火残余应力形成机理及调控方法研究　　利用ABAQUS软件建立了淬火工艺的热力耦合有限元模型，并通过实例验证了模型的正确性。分别从温度场和应力场分析了淬火残余应力产生的机理，结果显示：对流换热系数能够对淬火残余应力大小和降温速度产生较大影响，其中，对残余应力的影响主要集中在高温区，而低温区的降温过程不会对最终残余应力形成造成实质影响，由此提出了利用对流换热系数曲线来调控残余应力和降温时间的方法，通过该方法可以有效达到平衡残余应力和降温时间矛盾的目的。

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