利用FEM修正法测量Ti6Al4V管件表面残余应力
发布时间：2021-11-19 15:18
为精确测量车削加工钛合金薄壁管件引起的表面残余应力,综合考虑测量精度、可操作性以及节约材料等因素,运用有限元法（FEM）分析确定零件合适的轴向长度,结果表明:当管件的轴向长度与外径比值λ≥1.11时,其边缘效应对于测量结果的影响可以忽略不计.为对零件剥层后新表面应力值变化进行补偿,运用FEM修正法对X射线法测得的剥层后表面应力值进行修正,测量结果表明:Ti6Al4V管件车削加工引起的表面残余应力在轴向和切向上均呈压应力状态,切向应力高于轴向应力,深度为60μm时,两个方向的残余应力都已基本趋于0.表明该修正方法计算简单,其修正精度明显高于传统修正方法,可以广泛运用于实际表面加工残余应力的测量过程.
【文章来源】：哈尔滨工业大学学报. 2015,47(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
验证管零件长度时施加于模型的预应力根据式(1)，将柱坐标应力转换为X、Y方向的
帐笛榻峁??!""#"""$#""$!""$%""!"#$&’()*"#""#*"!""%&&+,图1验证管零件长度时施加于模型的预应力根据式(1)，将柱坐标应力转换为X、Y方向的正应力σxx、σyy以及XY方向的切应力τxy，而Z方向即零件轴向的应力不需要变换，可以直接导入．σxxσyyτ{}xy=cos2θsin2θ－sin2θsin2θcos2θsin2θ12sin2θ－12sin2θcos2{}θσρσθτ{}ρθ．(1)将Matlab计算得到的应力文件导入Abaqus中，其达到平衡后如图2所示．可以看出，应力层内的残余应力值在深度方向上变化率很高，这是加工引起的表面残余应力的主要特征．图2长模型施加预应力并自平衡后的效果图运用Abaqus的“生死单元”技术将应力层单元由外向内逐层“杀死”，以此来模拟实际实验中应力层被腐蚀剥层的过程．在每一层单元被“杀死”后，软件会计算模型内应力重新分布的过程，即实际实验每次剥层后，零件剩余部分的残余应力将会重新分布而达到一个新的平衡状态的现象．每去除一层单元并达到平衡后，记录模型外壁轴向中部的轴向和切向的应力值，在实际实验中，用X射线法测量时测量点也必须选在零件轴向中部位置，以减少边缘效应对测量结果的影响．上述模型得到的数据精度较高，但是缺点很明显:其轴向太长，在实际操作中存在诸多不便以及浪费材料现象．利用FEM分析确定零件合适的轴向长度．运用Python语言对Abaqus进行二次开发，保持模型横截面始终一致，轴向初始长度设定为20mm，不断增加轴向长度并进行计算，并与上述模型进行对比，直到精度满足要求．设定模型的应力值相差不超过0.5MPa为满足条件．程序流程图如图3所示．最终结果表明:轴向长度达到50m
足要求．由此得出结论:在测量上述截面形状的零件表面残余应力时，若取轴向长度为50mm，其精度是可靠的，是综合考虑测量精度、操作方便以及节约材料的结果．!!!!!!!!"#$%&#’()*+,-"#./"#$0123456789:;<=>?"#@A%&&BCDEF./GH)IJ-"#K;>?L&#MN$%OP"#Q’%(&&RST9U;UVWXYZ[\]^_‘abST9U;UVc>?SdeAfg;789:c>?hAijklmn0op>?OP"#Q)(&&MN!图3Python二次开发流程图2FEM修正方法2.1修正原理根据上述FEM分析结果，在软件Abaqus中建立模型，取外径为45mm，内径为43mm，轴向长度50mm，同样将应力层平均分成10份，每层的厚度为20μm，采用类型为C3D8R的网络进行划分，将网格的近似全局尺寸设置为0.8，最终划分得到的网格数目为447678．划分网格后的模型如图4所示．!"#(a)施加应力前完整模型!"#(b)施加应力前局部模型图4在Abaqus内建立的网格模型给模型外壁应力层施加轴向和切向的残余应力，其达到自平衡后效果如图5所示．!"#(a)自平衡状态下的完整模型(b)自平衡状态下的局部模型图5短模型施加预定应力并自平衡后的效果图利用Abaqus的“生死单元”技术，将模型的单元逐层“杀死”，记录每一单元层被“杀死”前后剩余各单元层的应力变化．利用上述模型计算第i次剥层时从第1层(最内层)到i－1层(最外层)的此剥层步骤的修正系数，修正系数以及应力计算公式如下:(Δσh)i=(σh)i－(σh)i－1=－Khiσmi，(2)σch=σmh+∑h－1i=1Khiσmi．(3)式中:i为腐蚀剥层的次数，取值为自然数;h为腐蚀剥层的深度;(Δσh)i为第i－1次和第i次腐蚀剥层后深度为h处的应力值之差;(σh)i－1、(σh)i分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. 孟龙晖,何宁,杨吟飞,赵威,戎斌. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014(05)
[2]TC4管状零件内壁加工残余应力计算及其有限元分析[J]. 孟龙晖,何宁,李亮. 中国机械工程. 2014(19)
[3]TC4零件铣削加工残余应力自平衡前值的测量及其有限元分析[J]. 孟龙晖,何宁,李亮,杨吟飞,赵威. 稀有金属材料与工程. 2014(08)
[4]X射线衍射法测量铝合金残余应力及误差分析[J]. 马昌训,吴运新,郭俊康. 热加工工艺. 2010(24)
[5]化学铣切在钛合金加工中的研究及应用[J]. 赵永岗,张春刚,王辉,孙杰,孙慧艳. 表面技术. 2009(06)
[6]Three-dimensional finite element analysis of process-induced residual stress in resin transfer molding process[J]. 戴福洪,张博明,杜善义. Journal of Harbin Institute of Technology. 2008(02)
[7]车铣加工表面残余应力的研究[J]. 徐骣,金成哲. 制造技术与机床. 2008(01)
本文编号：3505313
【文章来源】：哈尔滨工业大学学报. 2015,47(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
验证管零件长度时施加于模型的预应力根据式(1)，将柱坐标应力转换为X、Y方向的
帐笛榻峁??!""#"""$#""$!""$%""!"#$&’()*"#""#*"!""%&&+,图1验证管零件长度时施加于模型的预应力根据式(1)，将柱坐标应力转换为X、Y方向的正应力σxx、σyy以及XY方向的切应力τxy，而Z方向即零件轴向的应力不需要变换，可以直接导入．σxxσyyτ{}xy=cos2θsin2θ－sin2θsin2θcos2θsin2θ12sin2θ－12sin2θcos2{}θσρσθτ{}ρθ．(1)将Matlab计算得到的应力文件导入Abaqus中，其达到平衡后如图2所示．可以看出，应力层内的残余应力值在深度方向上变化率很高，这是加工引起的表面残余应力的主要特征．图2长模型施加预应力并自平衡后的效果图运用Abaqus的“生死单元”技术将应力层单元由外向内逐层“杀死”，以此来模拟实际实验中应力层被腐蚀剥层的过程．在每一层单元被“杀死”后，软件会计算模型内应力重新分布的过程，即实际实验每次剥层后，零件剩余部分的残余应力将会重新分布而达到一个新的平衡状态的现象．每去除一层单元并达到平衡后，记录模型外壁轴向中部的轴向和切向的应力值，在实际实验中，用X射线法测量时测量点也必须选在零件轴向中部位置，以减少边缘效应对测量结果的影响．上述模型得到的数据精度较高，但是缺点很明显:其轴向太长，在实际操作中存在诸多不便以及浪费材料现象．利用FEM分析确定零件合适的轴向长度．运用Python语言对Abaqus进行二次开发，保持模型横截面始终一致，轴向初始长度设定为20mm，不断增加轴向长度并进行计算，并与上述模型进行对比，直到精度满足要求．设定模型的应力值相差不超过0.5MPa为满足条件．程序流程图如图3所示．最终结果表明:轴向长度达到50m
足要求．由此得出结论:在测量上述截面形状的零件表面残余应力时，若取轴向长度为50mm，其精度是可靠的，是综合考虑测量精度、操作方便以及节约材料的结果．!!!!!!!!"#$%&#’()*+,-"#./"#$0123456789:;<=>?"#@A%&&BCDEF./GH)IJ-"#K;>?L&#MN$%OP"#Q’%(&&RST9U;UVWXYZ[\]^_‘abST9U;UVc>?SdeAfg;789:c>?hAijklmn0op>?OP"#Q)(&&MN!图3Python二次开发流程图2FEM修正方法2.1修正原理根据上述FEM分析结果，在软件Abaqus中建立模型，取外径为45mm，内径为43mm，轴向长度50mm，同样将应力层平均分成10份，每层的厚度为20μm，采用类型为C3D8R的网络进行划分，将网格的近似全局尺寸设置为0.8，最终划分得到的网格数目为447678．划分网格后的模型如图4所示．!"#(a)施加应力前完整模型!"#(b)施加应力前局部模型图4在Abaqus内建立的网格模型给模型外壁应力层施加轴向和切向的残余应力，其达到自平衡后效果如图5所示．!"#(a)自平衡状态下的完整模型(b)自平衡状态下的局部模型图5短模型施加预定应力并自平衡后的效果图利用Abaqus的“生死单元”技术，将模型的单元逐层“杀死”，记录每一单元层被“杀死”前后剩余各单元层的应力变化．利用上述模型计算第i次剥层时从第1层(最内层)到i－1层(最外层)的此剥层步骤的修正系数，修正系数以及应力计算公式如下:(Δσh)i=(σh)i－(σh)i－1=－Khiσmi，(2)σch=σmh+∑h－1i=1Khiσmi．(3)式中:i为腐蚀剥层的次数，取值为自然数;h为腐蚀剥层的深度;(Δσh)i为第i－1次和第i次腐蚀剥层后深度为h处的应力值之差;(σh)i－1、(σh)i分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. 孟龙晖,何宁,杨吟飞,赵威,戎斌. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014(05)
[2]TC4管状零件内壁加工残余应力计算及其有限元分析[J]. 孟龙晖,何宁,李亮. 中国机械工程. 2014(19)
[3]TC4零件铣削加工残余应力自平衡前值的测量及其有限元分析[J]. 孟龙晖,何宁,李亮,杨吟飞,赵威. 稀有金属材料与工程. 2014(08)
[4]X射线衍射法测量铝合金残余应力及误差分析[J]. 马昌训,吴运新,郭俊康. 热加工工艺. 2010(24)
[5]化学铣切在钛合金加工中的研究及应用[J]. 赵永岗,张春刚,王辉,孙杰,孙慧艳. 表面技术. 2009(06)
[6]Three-dimensional finite element analysis of process-induced residual stress in resin transfer molding process[J]. 戴福洪,张博明,杜善义. Journal of Harbin Institute of Technology. 2008(02)
[7]车铣加工表面残余应力的研究[J]. 徐骣,金成哲. 制造技术与机床. 2008(01)
本文编号：3505313
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