铝合金薄壁框架件加工变形的应力分布研究

7075航空铝合金薄壁框架件加工变形的预测是构件形变控制领域的技术难题,掌握铝合金薄壁框架件上的加工应力分布对预测构件变形有着重要的作用.本文运用弹性力学理论,在实验基础上,利用层削法和X射线衍射应力测试技术,建立了薄壁框架件的应力与弯曲变形的力学模型.模型反映了加工应力和初始应力对构件实际变形的影响机制,在此基础上,再通过数学解析方法,以这两种应力场分布为主变量,构建了薄壁框架构件应力与变形的函数,完成了对构件最大变形挠度的计算.通过比较实验所测构件变形值与计算得到的变形结果发现:构件实际测量最大变形量基本处于数学解析函数计算变形区间内,数据偏差在20~50μm.研究结果表明:在已知初始应力、结构尺寸、加工参数条件下,解析函数能有效地预测出薄壁框架件加工后的变形,可为薄壁构件加工变形控制提供工艺指导.     

铝合金预拉伸厚板非均匀区应力场特征

为了探求铝合金预拉伸厚板变形特点对应力场的影响,结合实验和有限元仿真,揭示了预拉伸工艺下厚板非均匀区应力演变规律.在不同尺寸厚板和不同工艺下,运用实验预拉伸机仿真模型,分析夹持区和过渡区应力场演变机理和规律.分析结果表明,非均匀区多样化的应力分布特点,不仅影响了厚板夹持稳定性,也对材料拉伸后的锯切率造成影响.拉伸时,夹持长度应不小于2倍试件厚度以保证拉伸稳定性.同时,过渡区范围与板厚度有关,其范围约为板厚的60%～70%,参考锯切长度为板厚3倍为宜.     

喷砂强化对铝合金薄壁框架件形状的影响及应用

铝合金薄壁框架件铣削加工后会有不同程度的变形,表面喷砂强化既可以提高构件的机械性能,也可以对铣削加工后构件的变形进行矫正,这对构件的变形控制和形状稳定性都具有积极作用.本文针对薄壁件形状特点(壁厚2 mm),分别对构件底部和薄壁进行喷砂处理,并通过X-ray表面应力测试、表面硬度和变形测试,对喷砂后构件的变形状况进行分析.研究发现,改变喷砂粒度、空气压力和表面全喷覆次数,对材料表面应力进行调节,可使铣削加工后构件的变形得以调整,一定条件下,其变形矫直率达85%以上.分析认为,薄壁件形状特点与初始内应力水平使得表面应力在薄壁框架件变形中发挥了主要作用.因而,可以在不同位置采用差异化喷砂工艺,对材料表面应力分布进行针对性调节,使喷砂件的形变达到预期要求,最终通过喷砂表面强化实现对薄壁构件变形的调控.     

铝合金厚板拉伸过程横向残余应力消减分析

运用Marc有限元软件对厚板预拉伸过程进行模拟分析,获得厚板沿厚度纵、横两个方向应力分布.结合仿真和实验,阐述了拉伸过程中横向应力削减现象,同时,将横向与纵向应力削减效果进行分析,论述了厚板横向残余应力演变的机理.分析认为,高强度残余应力使材料处在高弹性势能状态,在外力触发下有利于破坏晶粒横向平衡,从而改变了晶粒间原有应力平衡状态,实现横向应力逐层削弱.     

毛坯开槽方式中零件加工变形的演变机理与控制方法

广泛用作飞机薄壁整体结构件毛坯的铝合金厚板,在制造过程中出现的塑性变形不均匀性将导致残余应力的产生。高速铣削过程中残余应力的释放将引起飞机薄壁整体结构件的加工变形,这严重影响加工质量。因此,建立了毛坯释放变形后零件铣削的有限元仿真方法,挠度解析法的计算结果和实验测量的数据均验证了有限元仿真值无论是在趋势上还是变形量上均高度吻合。利用有限元方法揭示了开槽方式对毛坯释放变形的影响规律,分析了零件加工变形与毛坯释放变形之间的关系。结果表明:毛坯释放多大变形量,零件就能减小多大的变形量。在建立毛坯释放变形预测模型的基础上,提出了开槽方式的遗传算法优化方法,随机测试集表明神经网络的预测精度高达95%左右,而三框件在最佳开槽方式下能减小34.5%的变形。     

振动时效对7075铝合金薄壁构件应力松弛的影响与分析

对铝合金薄壁构件进行振动时效(VSR)实验研究,观察时效对材料表面的影响。通过X-ray表面应力测试、硬度测试和TEM电镜实验,对材料表面特性中的应力分布、相区状况、位错和显微硬度进行了分析,实验结果表明:VSR可使构件加工表面微屈服而造成应力松弛,在30 min、60 min的时效时间里,表面应力幅度分别下降了22%和32%。同时,发现相区内晶粒得到细化,且不同状态下晶界处的位错密度也明显不同,这说明振动交变应力造成了构件表面材料的微观形变,进而阐述了应力松弛的机理和材料显微硬度增长的原因。分析认为VSR对薄壁构件既消减了表面应力峰值,又强化了表面硬度,这对提高材料表面的抗变形能力有利。     

TiAl薄壁中空结构材料制备与成形一体化研究现状

针对新型高超音速飞行器的服役要求,迫切需要开发使用温度更高的轻质薄壁中空结构材料.分析了高超音速装备发展对耐高温轻量化结构的重大需求,综述了原位反应制备钛铝板材的研究现状,以及钛铝薄壁曲面结构国内外成形技术及应用进展.讨论了钛、铝箔材层状反应过程存在的扩散机制及控制难题、致密化过程孔洞形成及迁移机理.论述了塑性变形引入原位反应过程的原位反应扩散机制和规律,双向应力状态下的原位反应对抑制孔洞的产生和消除的作用,渐变材质高温变形规律和机制以及成形过程中构件的组织和性能演变规律.提出了"箔材原位反应与超塑成形一体化"新技术,将超塑性变形融入箔材反应过程,打破传统薄壁构件"先成材后成形"的局限,实现钛铝板材制备与其中空结构成形一体化.     

激光熔化沉积成形过程数值模拟研究现状

激光熔化沉积(Laser melting deposition,LMD)技术具有效率高、成本低、成形件性能优异等优点,成为零件修复和大尺寸构件制造的有效方法.然而,金属LMD成形是金属粉末、激光束和基体三者相互作用的一个多因素耦合过程,涉及流动熔池、快速非平衡凝固、固态相变以及复杂的温度和热应力演变.预测熔池流动情况、凝固规律以及温度应力的演变规律,对于成形试样的气孔、裂纹等缺陷控制,微观组织、力学性能和应力变形调控具有重要意义.数值模拟是一种经济、快捷的工具,对于LMD成形过程的粉末流动预测、熔池变化预测、组织预测、温度观测以及冷却后的残余应力和变形预测具有重要意义.近几年,LMD数值模拟研究已经涉及以上几个方面,但研究深度各不相同.针对温度场的研究,主要集中于建立不同的热源模型,探讨沉积过程的温度演变及工艺方案的影响规律.针对应力场的研究,以探索工艺方案的影响规律和应力消除方法为主.研究流场则以熔池流动和粉末流动为主.微观组织模拟考虑熔池流动对宏观温度场及熔池形状的影响,采用定向凝固的生长条件,可以确定枝晶一次间距等凝固信息.本文主要从温度场、应力场、流场、微观组织等几个方面总结了金属激光熔化沉积数值模拟的研究现状,并提出了其存在的问题和预发展的方向.     

激光增材制造热-力耦合数值模拟研究现状及进展

激光增材制造技术加工过程中温度变化迅速而剧烈,导致成形件内部产生复杂的热应力和残余应力,这是成形件发生应力变形、翘曲、开裂等加工缺陷的根本原因。并且,剧烈的温度变化使得难以直接使用实验观察其温度场和应力场演变规律。因此,通过建立有限元模型进行数值模拟的方法来分析热-力耦合场的分布以及其对成形件质量的影响尤为必要。总结了金属激光增材制造技术温度场和应力场的数值模拟研究进展及现阶段存在的一些问题,进一步探讨了金属激光增材制造技术在数值模拟方面的未来发展方向。     

车用高强钢厚板模内淬火组织演变研究

目的 揭示高强钢厚板在热冲压模内淬火过程中的马氏体组织演变特征和规律。方法 建立了6 mm厚硼钢板热冲压模内淬火过程马氏体相变有限元预测模型,分析了马氏体分布情况及演变特征,阐明了保压力等关键淬火参数对组织演变的影响规律。结果 沿板面方向,马氏体从角部开始转化,逐渐由边缘向内部扩展,呈现出“边缘高、中部低”的分布特征。沿板厚方向,马氏体呈现出“表层高、心部低”的分布特征;随淬火过程的进行,这种厚向梯度分布特征逐渐弱化。与薄板相比,厚板的马氏体相变启动和结束时刻均较晚,且马氏体转化率明显较低,马氏体沿厚向分布的不均匀性也更明显。随保压力的增大,马氏体转化结束时刻前移,马氏体转化率增大且沿厚向分布更均匀,抗拉强度增大,延伸率减小;当保压力超过40 MPa时,上述影响逐渐减弱。结论 与薄板相比,厚板组织沿板面和板厚方向均呈现更明显的梯度分布特征。保压力对厚板组织演变和力学性能有较大影响,但这种影响随保压力的增大而逐渐减弱。     

X80管线钢不同变形状态的磁记忆检测试验研究

为探明管线钢在不同变形状态的力磁耦合特性,以实现油气管道塑性变形损伤的早期预警,本文开展了 X80管线钢在弹塑性变形阶段的磁记忆检测试验研究.采用疲劳试验机对标准板状试件导入不同变形状态,通过应力-应变监测系统获取试件的实时应变情况,同时利用磁记忆检测仪对卸载后的试件表面磁场强度进行离线扫描.结果表明:在弹性变形阶段,...     

用变分渐近法进行复合材料层合板仿真及三维场重构

为有效模拟和准确重构复合材料层合板三维应力/应变/变形场,基于变分渐近方法构建单斜对称的复合材料层合板渐近修正理论和重构关系。主要内容包括:基于旋转张量分解概念用一维广义应变和翘曲表示板的三维应变场,以考虑包括板翘曲变形在内的所有变形;基于变分渐近法将原三维问题分析严格拆分为非线性二维板分析(等效单层板模型)和沿法线方向的一维线性分析;通过层合板厚跨比和二维应变量阶数2个较小参数将应变能渐近修正到第二阶,并转换为Reissner形式以便于实际应用;利用生成的二维板变形和翘曲函数精确重构三维场。通过一具有20层复合层合板的柱形弯曲算例表明:基于该理论和重构过程开发的渐近变分程序VAPAS重构生成的三维应力场精确性较一阶剪切变形理论和古典层合理论更好,与三维有限元精确解相一致。     

SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100～200 W、扫描速度800～1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

基于Simufact的割草盘控制杆焊接成形质量控制研究

目的保证割草机割草盘控制杆焊后的装配精度和尺寸稳定性。方法采用Simufact Welding软件对割草盘控制杆焊接过程进行模拟仿真。通过建立合适的热源模型,得到焊后变形和焊接应力分布情况。结果椭圆板焊缝处为焊接变形最大的区域,最大总变形量为0.73 mm;焊后最大等效应力为395.59 MPa,且沿焊缝两侧向外扩展,等效应力呈递减趋势。结论通过工装优化方案,实现了焊后残余变形控制,最大变形量由0.73 mm降低到0.41 mm,且未引起焊接残余应力的上升,但焊后残余应力仍处于较高的水平,可通过焊后退火消除残余应力。     

Numerical simulation of brittle fracture of thin-walled structures1

The model of brittle material, allowing for the determination of initiation and growth of cracks in thin-walled structures up to their destruction, is offered. Solutions of some problems are submitted: destruction of a plate at a homogeneous stress state; destruction of a beam at a pure bending; dynamic deformation and destruction of a plate with the concentrated mass having various initial speeds. Destruction of part of the material of the plate is shown to result in dynamic loss of stability of the solution.     

Numerical simulation of brittle fracture of thin-walled structures1

The model of brittle material, allowing for the determination of initiation and growth of cracks in thin-walled structures up to their destruction, is offered. Solutions of some problems are submitted: destruction of a plate at a homogeneous stress state; destruction of a beam at a pure bending; dynamic deformation and destruction of a plate with the concentrated mass having various initial speeds. Destruction of part of the material of the plate is shown to result in dynamic loss of stability of the solution.     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真.对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展.基于该模型对比研究了不同因素下泡...