航空铝合金厚板残余应力数值模拟研究现状
发布时间：2021-08-20 01:01
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。
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020,30(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
飞机整体框架翘曲变形[23]Fig.1Warpdistortionofaircraftframeaftermachining[23]
元仿真计算研究现状金属材料在制坯、热处理和后续加工过程中，由于温度变化导致其内部微观结构产生非协调变形或非协调变形的趋势等原因都会或多或少的产生残余应力。目前，残余应力按尺度主要分为宏观、介观和微观3类[30]。同时，由于温度变化所引起的残余应力又可分为热残余应力和相变残余应力2类，划分标准即为温度变化(热处理)过程中材料内部是否发生固态相变。IMIR等[31]描述了金属材料热处理过程中材料内部化学成分、微观组织、温度场和应力场等多物理场之间的耦合作用关系，如图2所示。由图2中可以看出，温度驱动相变、潜热、应力、应变、热量传输等过程贯穿于整个热处理过程，因此在进行模拟计算时应综合考虑多物理场之间的相互关系对材料内部残余应力分布的影响。图2热处理过程中所涉及的多物理场及耦合作用关系[31]Fig.2Physicalfieldsandcouplingreactionsduringheattreatments[31]事实上，关于固溶淬火过程中金属材料组织和性能转变的研究最早可追溯至20世纪30年代，国外学者通过对钢冷却过程的研究相继提出了等温转变曲线(TTT曲线)和连续冷却曲线(CCT)曲线[32]，而借助数值模拟手段研究材料的固溶淬火过程则兴起于20世纪70~80年代并于1984年在瑞典召开了第一届国际热处理过程内应力计算学术研讨会，美国金属学会(ASMinternational)于2000年提出对于制造业而言数值模拟是代表先进热处理工艺的一项关键技术，由此可见包括固溶淬火数值模拟在内的热处理仿真技术的重要地位[3334]。国内关于金属材料固溶淬火过程的数值模拟研究起源于20世纪80年代，上海交通大学潘健生院士[3536]、清华大学刘庄教授
第30卷第5期祝楷，等：航空铝合金厚板残余应力数值模拟研究现状9672预拉伸消减铝合金厚板残余应力有限元仿真计算研究现状与深冷处理、模压和机械振动等手段相比，预拉伸法是消除或降低形状结构较为简单的铝合金厚板内部残余应力的有效途径，拉伸过程中板内固溶淬火残余应力在厚板产生塑性屈服后得到消减，具体演变过程如图4所示。图4固溶淬火铝合金厚板预拉伸过程残余应力重新分布示意图[41]Fig.4Residualstressredistributionbehaviorinquenchedthickaluminumplateduringpre-stretchingprocess[41]:(a)Quenchingstage;(b)Pre-stretchingstage;(c)Finalstage2.1预拉伸量对厚板残余应力的影响铝合金厚板预拉伸过程中，预拉伸量反映了厚板塑性变形程度的大小，直接影响厚板内部残余应力状态的改变程度。柯映林等[41]针对含有淬火残余应力场的7075铝合金毛坯进行了不同拉伸量的残余应力消除过程数值模拟，结果表明当预拉伸量为3%时铝合金毛坯将产生2.1%~2.6%的塑性形变，残余应力消除率约为86%，具体如图5所示。图5不同预拉伸量对铝合金厚板内残余应力水平的影响[41]Fig.5Effectofdifferentpre-stretchedratesonquenching-inducedresidualstressesinthickaluminumplate[41]张园园等[66]通过建立含有淬火残余应力场的7075铝合金厚板预拉伸有限元模型，模拟了不同预拉伸量(2.0%、2.3%、2.5%、2.8%、3.0%)条件下板内残余应力的分布状态和消减程度。结果表明当厚板预拉伸量为3%时，板内残余应力消除量约为96%，且只在钳口夹持区附近存在局部应力过渡。LIAO等[46]和龚海等[67]对7075铝合金厚板预拉伸
【参考文献】：
期刊论文
[1]Quenching residual stress distributions in aluminum alloy plates with different dimensions[J]. Ya-Nan Li,Yong-An Zhang,Xi-Wu Li,Zhi-Hui Li,Guo-Jun Wang,Long-Bing Jin,Shu-Hui Huang,Bai-Qing Xiong. Rare Metals. 2019(11)
[2]铝材在国产大飞机上的应用[J]. 王祝堂. 轻合金加工技术. 2016(11)
[3]7000系高强铝合金的发展及其在飞机上的应用[J]. 姬浩. 航空科学技术. 2015(06)
[4]先进复合材料在飞机结构中的应用[J]. 孙振起,吴安如. 材料导报. 2015(11)
[5]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[J]. 刘嘉辰,王金亮,陈慧琴. 轻合金加工技术. 2014(09)
[6]Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金厚板淬火过程数值模拟[J]. 王金亮,刘嘉辰,陈慧琴. 金属热处理. 2014(03)
[7]高强韧低淬火敏感性7XXX系铝合金的发展[J]. 熊柏青,李锡武,张永安,李志辉,王锋,刘红伟. 中国材料进展. 2014(02)
[8]2A12铝合金厚板淬火残余应力的数值模拟[J]. 张志伟,许东,孙清汝. 金属热处理. 2013(12)
[9]航空铝合金及其材料加工[J]. 张新明,刘胜胆. 中国材料进展. 2013(01)
[10]7075铝合金板淬火残余应力模拟及实验研究[J]. 李大峰,丁华锋,刘立斌,王孟,蔡奎. 机械研究与应用. 2012(03)
博士论文
[1]铝合金厚板淬火—预拉伸内应力形成机理及其测试方法研究[D]. 廖凯.中南大学 2010
[2]高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究[D]. 林高用.中南大学 2006
硕士论文
[1]7055铝合金厚板淬火残余应力的测量与数值模拟[D]. 曹海龙.北京有色金属研究总院 2016
[2]铝合金厚板淬火过程及预拉伸热—力仿真与实验研究[D]. 张园园.中南大学 2008
[3]7050铝合金厚板淬火温度场及内应力场的数值模拟研究[D]. 姚灿阳.中南大学 2007
本文编号：3352492
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020,30(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
飞机整体框架翘曲变形[23]Fig.1Warpdistortionofaircraftframeaftermachining[23]
元仿真计算研究现状金属材料在制坯、热处理和后续加工过程中，由于温度变化导致其内部微观结构产生非协调变形或非协调变形的趋势等原因都会或多或少的产生残余应力。目前，残余应力按尺度主要分为宏观、介观和微观3类[30]。同时，由于温度变化所引起的残余应力又可分为热残余应力和相变残余应力2类，划分标准即为温度变化(热处理)过程中材料内部是否发生固态相变。IMIR等[31]描述了金属材料热处理过程中材料内部化学成分、微观组织、温度场和应力场等多物理场之间的耦合作用关系，如图2所示。由图2中可以看出，温度驱动相变、潜热、应力、应变、热量传输等过程贯穿于整个热处理过程，因此在进行模拟计算时应综合考虑多物理场之间的相互关系对材料内部残余应力分布的影响。图2热处理过程中所涉及的多物理场及耦合作用关系[31]Fig.2Physicalfieldsandcouplingreactionsduringheattreatments[31]事实上，关于固溶淬火过程中金属材料组织和性能转变的研究最早可追溯至20世纪30年代，国外学者通过对钢冷却过程的研究相继提出了等温转变曲线(TTT曲线)和连续冷却曲线(CCT)曲线[32]，而借助数值模拟手段研究材料的固溶淬火过程则兴起于20世纪70~80年代并于1984年在瑞典召开了第一届国际热处理过程内应力计算学术研讨会，美国金属学会(ASMinternational)于2000年提出对于制造业而言数值模拟是代表先进热处理工艺的一项关键技术，由此可见包括固溶淬火数值模拟在内的热处理仿真技术的重要地位[3334]。国内关于金属材料固溶淬火过程的数值模拟研究起源于20世纪80年代，上海交通大学潘健生院士[3536]、清华大学刘庄教授
第30卷第5期祝楷，等：航空铝合金厚板残余应力数值模拟研究现状9672预拉伸消减铝合金厚板残余应力有限元仿真计算研究现状与深冷处理、模压和机械振动等手段相比，预拉伸法是消除或降低形状结构较为简单的铝合金厚板内部残余应力的有效途径，拉伸过程中板内固溶淬火残余应力在厚板产生塑性屈服后得到消减，具体演变过程如图4所示。图4固溶淬火铝合金厚板预拉伸过程残余应力重新分布示意图[41]Fig.4Residualstressredistributionbehaviorinquenchedthickaluminumplateduringpre-stretchingprocess[41]:(a)Quenchingstage;(b)Pre-stretchingstage;(c)Finalstage2.1预拉伸量对厚板残余应力的影响铝合金厚板预拉伸过程中，预拉伸量反映了厚板塑性变形程度的大小，直接影响厚板内部残余应力状态的改变程度。柯映林等[41]针对含有淬火残余应力场的7075铝合金毛坯进行了不同拉伸量的残余应力消除过程数值模拟，结果表明当预拉伸量为3%时铝合金毛坯将产生2.1%~2.6%的塑性形变，残余应力消除率约为86%，具体如图5所示。图5不同预拉伸量对铝合金厚板内残余应力水平的影响[41]Fig.5Effectofdifferentpre-stretchedratesonquenching-inducedresidualstressesinthickaluminumplate[41]张园园等[66]通过建立含有淬火残余应力场的7075铝合金厚板预拉伸有限元模型，模拟了不同预拉伸量(2.0%、2.3%、2.5%、2.8%、3.0%)条件下板内残余应力的分布状态和消减程度。结果表明当厚板预拉伸量为3%时，板内残余应力消除量约为96%，且只在钳口夹持区附近存在局部应力过渡。LIAO等[46]和龚海等[67]对7075铝合金厚板预拉伸
【参考文献】：
期刊论文
[1]Quenching residual stress distributions in aluminum alloy plates with different dimensions[J]. Ya-Nan Li,Yong-An Zhang,Xi-Wu Li,Zhi-Hui Li,Guo-Jun Wang,Long-Bing Jin,Shu-Hui Huang,Bai-Qing Xiong. Rare Metals. 2019(11)
[2]铝材在国产大飞机上的应用[J]. 王祝堂. 轻合金加工技术. 2016(11)
[3]7000系高强铝合金的发展及其在飞机上的应用[J]. 姬浩. 航空科学技术. 2015(06)
[4]先进复合材料在飞机结构中的应用[J]. 孙振起,吴安如. 材料导报. 2015(11)
[5]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[J]. 刘嘉辰,王金亮,陈慧琴. 轻合金加工技术. 2014(09)
[6]Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金厚板淬火过程数值模拟[J]. 王金亮,刘嘉辰,陈慧琴. 金属热处理. 2014(03)
[7]高强韧低淬火敏感性7XXX系铝合金的发展[J]. 熊柏青,李锡武,张永安,李志辉,王锋,刘红伟. 中国材料进展. 2014(02)
[8]2A12铝合金厚板淬火残余应力的数值模拟[J]. 张志伟,许东,孙清汝. 金属热处理. 2013(12)
[9]航空铝合金及其材料加工[J]. 张新明,刘胜胆. 中国材料进展. 2013(01)
[10]7075铝合金板淬火残余应力模拟及实验研究[J]. 李大峰,丁华锋,刘立斌,王孟,蔡奎. 机械研究与应用. 2012(03)
博士论文
[1]铝合金厚板淬火—预拉伸内应力形成机理及其测试方法研究[D]. 廖凯.中南大学 2010
[2]高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究[D]. 林高用.中南大学 2006
硕士论文
[1]7055铝合金厚板淬火残余应力的测量与数值模拟[D]. 曹海龙.北京有色金属研究总院 2016
[2]铝合金厚板淬火过程及预拉伸热—力仿真与实验研究[D]. 张园园.中南大学 2008
[3]7050铝合金厚板淬火温度场及内应力场的数值模拟研究[D]. 姚灿阳.中南大学 2007
本文编号：3352492
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