航空铝合金构件淬火残余应力的数值模拟

可固溶强化的铝合金在通过剧烈淬火获得高强度的过程中 ,会产生很大的淬火残余应力 ,并容易引起淬火变形与裂纹。本文将有限元方法用于预测航空铝合金构件淬火残余应力的产生与分布规律 ,首先针对铝合金试样的淬火过程建立数学模型 ,进行数值模拟 ,其次将分析方法用于预测某 70 75铝合金飞机隔框的淬火残余应力分布规律。并采用裂纹柔度法进行了实验测定 ,实验结果与模拟结果对比具有很好的一致性。     

淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响

为探究淬火残余应力对铝合金厚板疲劳裂纹扩展的影响规律,建立7075铝合金厚板表面三维裂纹数值仿真模型。采用顺序热力耦合法求解淬火残余应力场,将残余应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子,并与无残余应力场的应力强度因子值进行对比,研究两种条件下应力强度因子的分布规律和两者之间的异同;通过分析在初始淬火残余应力条件下不同半径裂纹受不同均匀拉应力荷载作用时的裂纹应力强度因子随裂纹位置角的演变曲线,探究淬火残余应力对裂纹扩展趋势的影响规律。结果表明,淬火残余应力的存在改变了铝合金厚板应力强度因子的分布规律和裂纹的扩展趋势,淬火残余应力使表层附近的裂纹扩展受到遏止,裂纹易于在厚度方向优先扩展。     

7050铝合金超厚板喷淋淬火的数值模拟分析

基于有限元模拟软件ABAQUS,建立有限元模型对铝合金超厚板的喷淋淬火过程进行参数化模拟,来探究铝合金超厚板在不同淬火条件下的残余应力分布规律。研究表明:淬火过程中,铝合金超厚板厚度方向的残余应力分布逐渐由"外拉内压"转变为"外压内拉"的状态;改变喷淋压力和淬火水温可以改变厚板淬火残余应力分布规律,厚板中心的残余应力随着淬火水温的升高而降低。随着喷淋压力的提高,厚板中心的残余应力呈现出先降低后上升最后趋于稳定的变化趋势,并在喷淋压力为200 kPa时出现应力的最小值。     

采用冷胀形工艺降低2219铝合金环的淬火残余应力

通过固溶时效工艺可以显著提升2219铝合金的力学性能，但在淬火过程中会产生较大的残余应力，对其尺寸稳定性、疲劳强度、应力腐蚀等性能产生不利影响。为降低2219铝合金环件的淬火残余应力，在淬火和人工时效之间引入冷胀形工艺。首先，采用有限元法模拟分析了2219铝合金环淬火、冷胀形后残余应力的数值及分布规律。其次，采用钻孔法测量了环在淬火、人工时效和固溶-冷胀形-人工时效后的残余应力。研究了冷胀形工艺参数对残余应力数值和均匀性的影响。结果表明，引入冷胀形工艺可以使2219铝合金环件淬火残余应力降低85%以上。     

考虑淬火残余应力铝合金厚板中椭圆裂纹Ⅰ型强度因子计算

基于实验及Shiratori的有限元数据,拟合出铝合金板淬火残余应力的分布函数,用Shen-Glinka法确定椭圆裂纹的Ⅰ型应力强度因子的权函数,推导出权函数系数的表达式。在此基础上分析几种裂纹表面经典应力分布时的Ⅰ型应力强度因子,与Shiratori的有限元结果吻合良好,验证所建立的权函数具有较高的精度。结合淬火残余应力分布函数,推导出椭圆裂纹在淬火残余应力场中的Ⅰ型应力强度因子,得出不同点残余应力强度因子随裂纹扩展的变化趋势不同。     

X射线法测量淬火铝合金厚板表面残余应力

采用无损X射线衍射技术测试了7075铝合金厚板淬火后表面残余应力水平与分布,得到了淬火铝合金厚板表面残余应力的分布区间和一般规律,分析了准直管对测试结果的影响,并与中心钻孔法得到的结果做了比较。结果表明,两种方法都能有效并正确测量构件的表面残余应力,但中心钻孔法不适合用于应力梯度大的场合,而X射线法在无应力或原始应力水平很低的场合效果欠佳。淬火铝板表面残余应力的测试结果呈正态分布,且淬火过程中边缘局部有应力释放,释放值可达40%,且此区域大小约为铝板的一个厚度。     

航空铝合金厚板残余应力数值模拟研究现状

为获得理想性能,航空铝合金厚板在生产过程中需经历轧制、固溶淬火、预拉伸和时效强化等工艺过程。其中,厚板在进行固溶淬火处理时整体温度变化异常剧烈,内部产生较高残余应力。近年来,借助数值模拟的手段分析铝合金厚板内部固溶淬火残余应力分布状态并对其进行消减处理是研究关注的热点。介绍基于有限元方法的7xxx系航空铝合金厚板固溶淬火及预拉伸处理过程中板材内部残余应力演化规律研究现状,对固溶淬火和预拉伸仿真计算过程中所用方法及模型参数进行归纳,展望该领域未来的重点研究内容和发展方向。     

雾化气体淬火残余应力的有限元模拟与实验研究

雾化气体淬火是一种新型的热处理工艺。本文针对45钢试件在雾化气体淬火时的应力,应用有限元软件ANSYS对其淬火过程的温度场和应力场进行耦合模拟分析,分析考虑了材料在不同温度下的热物性参数,得到了淬火后残余应力的大小与分布规律。采用钻孔法实测了试件的残余应力。对数值模拟结果与实验结果进行对比,结果表明,淬火残余应力的有限元数值模拟计算和实验结果较吻合。     

X射线衍射法在测量铝合金厚板表面残余应力中的应用

X射线应力测量法是广泛应用的无损应力测量方法,本试验研究了X射线衍射法测量铝合金厚板表面残余应力。对7075淬火铝合金厚板的表面残余应力进行测量,得到了7075淬火铝合金厚板表面残余应力的分布区间和一般规律,并对表面残余应力分布的边缘效应进行了探讨。     

7075铝合金锻件淬火热处理有限元模拟

采用Deform-3D有限元软件,对7075铝合金锻件淬火热处理过程进行了数值模拟,讨论了固溶温度及淬火介质温度对淬火后残余应力的影响。结果表明:残余应力呈现表层受压、芯部受拉的分布;通过提高淬火介质温度或降低固溶温度可降低材料在淬火过程中产生的残余应力。     

7050高强铝合金锻件的热处理工艺模拟

通过有限元模拟分析,研究了7050高强铝合金锻件的热处理工艺过程,获得了热处理过程中的温度场分布与变化规律,并计算了热处理过程中的残余应力分布.结果表明,固溶过程能有效去除锻件成形过程中的残余应力,但淬火过程又会在锻件表面形成较大的拉应力,这与淬火过程中较大的锻件内外温度梯度有关.按照工艺要求,在随后对锻件进行的不同变形程度的冷压缩后发现,3％的压缩量不但能消除锻件表面的应力,还能使锻件残留有非常有益的压应力,从而能够有效地抑制后续处理过程中的裂纹产生.通过研究验证了7050高强铝合金锻件热处理工艺设计的合理性,具有一定的工程参考价值.     

7075铝合金预拉伸板消除残余应力的试验研究

铝合金预拉伸厚板是现代航空工业的重要结构材料，但厚板淬火残余应力的存在不仅使其在机加工过程中易出现翘曲变形，而且也明显降低材料的动态使用性能加KIC、KQC、抗腐蚀和疲劳性能。对7075铝合金厚板淬火时残余应力的分布进行了试验研究，结果表明：通过控制淬火介质的温度，能有效降低淬火后厚板中的残余应力。此外，通过分析淬火过程中残余应力的产生机理，提出了两种降低淬火过程中残余应力的新方法。     

胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究

针对铝合金淬火残余应力突出的问题,研究了消减铝合金环形件淬火残余应力的方法即胀形法。该方法通过液压胀形机对环形件施加胀形力,使得环形件产生拉伸的效果。采用ABAQUS有限元软件对2219铝合金环形件淬火残余应力及胀形法进行有限元模拟。进行胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力工艺试验,采用压痕应变法对环形件的残余应力进行测试。研究结果表明:该环形件淬火残余应力很大,最大值超过300MPa;胀形法可有效消减淬火残余应力,当胀形量为3%时,残余应力幅值降至40MPa以内;试验结果与模拟结果一致。     

高强铝合金超厚板淬火残余应力及其冷压缩消除过程分析

采用SIMUFACT有限元分析软件,在验证了模拟精度和模拟参数的基础上,对4 000 mm×720 mm×285 mm尺寸的新型Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金超厚板淬火残余应力进行预测,并对采用双面对称冷压缩法消除厚板残余应力的过程进行了模拟分析。结果表明,该厚板淬火后内部残余应力呈内拉外压的分布状态,厚板心部最大平均残余拉应力值为120 MPa,表面最大平均残余压应力值为108 MPa。压缩过程中模具的压下率和送进率对淬火残余应力消除效果的分析表明,在1%~3%压下率和75%送进率条件下进行压缩,淬火残余应力消除率达到90%以上,残余应力值范围控制在-40 MPa~30 MPa范围内。X射线衍射测试值与模拟值的平均残余应力误差约为15.75 MPa。     

不同淬火介质下7055铝合金厚板淬火内应力测试

7xxx系铝合金在淬火后会产生较大的残余应力,且淬火介质对淬火残余应力的水平与分布影响显著。通过裂纹柔度法研究不同淬火介质种类、温度和浓度对淬火残余应力的影响规律。结果表明:淬火残余应力符合典型的"外压内拉"分布,淬火残余应力水平随水温升高先缓慢降低后急速降低,随PAG浓度升高先迅速降低后缓慢降低。各淬火介质下应力水平由高到低的顺序依次为5%Na Cl+5%KNO3溶液(质量分数)、20℃水、5%PAG溶液(体积分数)。在80℃水和15%PAG溶液(体积分数)淬火后,残余应力水平降低比例最大均达到60%以上,抑制残余应力效果明显。     

50AT尖轨感应淬火的数值模拟

通过对尖轨轨头进行中频感应淬火处理,可提高其强度、耐磨性及延长尖轨寿命。轨头淬火后,会产生较大的残余应力。通过建立50AT尖轨模型,进行淬火模拟仿真得到淬火后残余应力分布,并采用盲孔测应力法对比验证应力结果。结果表明:轨底中部残余应力值较大,尖端部分残余应力值较小;选择轨底相同位置测点,得到模拟仿真应力值与实测应力相差较小。试验结果可用于指导尖轨淬火后残余应力的消除及振动时效时激振器的放置位置。     

7075铝合金厚板预拉伸模拟分析及其在淬火残余应力消除中的应用

运用有限元软件ABAQUS, 对7075铝合金板材淬火过程进行了模拟.比例件的加工变形表明淬火模拟所得的残余应力是可信的.在获得淬火残余应力的基础上, 模拟了不同预拉伸量对毛坯的淬火残余应力的消除.结果表明: 拉伸量为3%时, 毛坯产生2.1%～2.6%的永久变形, 残余应力消除量约为86%, 完全符合航空铝合金厚板生产工艺的规定.     

预拉伸对7075铝合金厚板残余应力分布的影响

运用有限元法对7075铝合金厚板预拉伸过程进行了数值模拟,获得了预拉伸板内部的残余应力分布,研究了预拉伸量对残余应力演变的影响.采用裂纹柔度法对淬火板和预拉伸板(拉伸量分别为1.8%、2.2%和2.5%)进行了残余应力检测,计算得到了不同工艺下铝厚板内部的残余应力分布.结果表明:预拉伸能够大幅消减淬火残余应力,当拉伸量为2.2%左右时,残余应力减少至±20MPa,能够满足后续加工的要求.     

6061铝合金在线淬火温度场和应力场模拟(英文)

通过淬火实验获得6061铝合金的冷却曲线,实验根据冷却曲线并结合数值方法获得在线淬火换热系数,运用ABAQUS有限元软件动态模拟复杂截面型材在线淬火过程。结果表明:在淬火过程中,换热系数不断变化;型材不同部位冷却速度不同,并通过淬火实验加以验证。通过ABAQUS有限元软件可以预测型材的最大残余应力;通过关键点的分析得出型材温度与应力的关系曲线。     

铝合金环件淬火热处理数值模拟研究

介绍了热应力场作用下铝合金环件残余应力的产生机理,通过有限元专业仿真软件Abaqus建立2219型铝合金环件有限元数值模型,分析得到了2219型铝合金环件在淬火过程中的温度场和残余应力分布规律。有限元模拟结果表明：环件外表面边缘交线处温降速率最大,芯部温降速率最小,环件表面温降速率介于边缘交线和芯部之间;环件内外表面和心部应力在淬火过程中出现陡峭增大后减小,减小至拐点后又增大并趋于平稳。同时环件芯部与内外表面应力大小基本一致,均大于环件上下表面应力。