基于殘余應(yīng)力測量的鋁合金框類零件變形預(yù)測研究

李曉鵬+劉娜

【摘 要】為了研究材料去除過程中殘余應(yīng)力的重新分布及該過程所引起的工件變形，假設(shè)在該過程中沒有引入另外的應(yīng)力，采用理論計算和有限元模擬的方法對鋁合金零件求解，計算了在剝層過程中的殘余應(yīng)力，并分析了剩余部分的殘余應(yīng)力變化趨勢.結(jié)果表明理論解與有限元解獲得了極好的吻合.采用有限元法進一步研究了材料去除過程中，殘余應(yīng)力對加工變形的影響以及最終殘余應(yīng)力分布規(guī)律的異同。

【關(guān)鍵詞】鋁合金；殘余應(yīng)力；加工變形；框類

1.引言

航空大型整體結(jié)構(gòu)件的加工變形不但影響飛機的正常裝配，還在一定程度上降低飛機的性能和質(zhì)量，其預(yù)測和控制是航空制造業(yè)公認(rèn)的難題。整體結(jié)構(gòu)件的加工變形由切削力、切削熱、裝夾力、工藝路徑、毛坯內(nèi)應(yīng)力和切削殘余應(yīng)力等因素導(dǎo)致，并受到零件結(jié)構(gòu)和加工工藝等因素影響。

切削殘余應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)件，尤其是薄壁整體結(jié)構(gòu)件的加工變形有著較大影響，對其控制的研究主要針對優(yōu)化工藝參數(shù)、采用高速切削技術(shù)等，未見設(shè)備性能對殘余應(yīng)力影響的報道。同時，對鋁合金整體結(jié)構(gòu)件的加工變形研究重點關(guān)注了鋁合金材料在切削溫度條件下的本構(gòu)特性，忽略了鋁合金材料的低溫蠕變特性，暫無關(guān)于鋁合金零件加工后蠕變變形的研究。研究常溫下鋁合金整體結(jié)構(gòu)件在內(nèi)應(yīng)力和切削殘余應(yīng)力作用下的蠕變變形，對其加工變形控制也具有重要意義。

2.毛坯殘余應(yīng)力分析和測量方法概述

基于材料去除的測量方法，其基于宏觀的彈塑性力學(xué)，建立切除部分材料所引起的應(yīng)變與其被測物體所含內(nèi)應(yīng)力值的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過測量應(yīng)變或者相關(guān)量進而求出原始應(yīng)力值。這類方法主要有小孔法、逐層法、裂紋柔度法等。

在小孔法中，如圖2.1所示，物體表層的主應(yīng)力1 與所粘貼的應(yīng)變片1間存在夾角θ，鉆孔后所釋放應(yīng)力導(dǎo)致的0度、45度和90度三個方向的應(yīng)變1 、2 和3 分別被應(yīng)變片1-3測得，利用公式可計算得兩個主應(yīng)力和的值和夾角θ的值，式中參數(shù)A和B為與彈性模量、泊松比、鉆孔直徑d和應(yīng)變片尺寸和位置r有關(guān)應(yīng)力釋放系數(shù)，可以通過文獻所提方法獲得。近年來科學(xué)工作者對小孔法做了大量研究工作，從測量原理到實際操作中的各種工藝因素、誤差來源等進行了深入的研究，使其日趨完善。針對孔位、孔徑、孔深對測量精度造成的影響作了詳細(xì)研究，對粘接劑的選擇使用以及粘貼技術(shù)問題作了專門研究，對實際操作過程很有指導(dǎo)意義。Schajer針對盲孔法采用有限元數(shù)值分析的方法，分別對不同尺寸、形狀的盲孔周圍的應(yīng)力分布情況進行計算，得出孔深徑比及孔緣孔底形狀對釋放應(yīng)力的影響。小孔法可以較準(zhǔn)確地測量鉆孔處數(shù)毫米深度范圍內(nèi)的應(yīng)力平均值，測量深度遠(yuǎn)大于X射線法等方法，目前已成為工程上最通用的殘余應(yīng)力測量方法，成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

運用小孔法測量大型結(jié)構(gòu)件毛坯內(nèi)應(yīng)力需解決三個方面的問題。第一，由于小孔法測量的是數(shù)毫米深度范圍內(nèi)的應(yīng)力平均值，且測量深度相對于厚度數(shù)十毫米甚至數(shù)百毫米的毛坯厚度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需解決如何利用小孔法測量毛坯內(nèi)部較深位置應(yīng)力分布的問題。Soete W等提出采用逐層鉆孔的方法，對傳統(tǒng)小孔法進行改進，將一次完成的鉆孔過程分步逐層完成，依據(jù)每步釋放的應(yīng)變計算應(yīng)力沿孔深方向的分布。但是逐層鉆孔法并沒有解決測量深度的問題，因為小孔法測量極限深度是孔徑的1.2倍，而且隨著孔深逐漸逼近孔徑尺寸逐層鉆孔的精度會急劇下降。第二，小孔法僅能獲得鉆孔處的應(yīng)力值，相對于毛坯尺寸可認(rèn)為僅測量了點處（一維）的應(yīng)力值，為了測量獲得面上（二維）或體內(nèi)（三維）的應(yīng)力分布，需進行多點測量，因此還需解決如何基于多個點處的應(yīng)力數(shù)據(jù)計算面上和體內(nèi)應(yīng)力分布的問題，目前還沒有相關(guān)研究報道。第三，小孔法測量效率有待提高。小孔法測量需完成鉆孔和測應(yīng)變兩個主要步驟，鉆孔需要定位，通常精度需保證在0.1mm內(nèi)。如采用應(yīng)變片測應(yīng)變則需要貼應(yīng)變片、焊線等。V. V. Balalov， M. Ya， D.V. Nelson和戴福隆等利用云紋干涉技術(shù)代替應(yīng)變片測量應(yīng)變，結(jié)合小孔法建立了各種測量殘余應(yīng)力實驗方法與系統(tǒng)，可以節(jié)約貼片需要的時間，但是搭建云紋干涉的光路也需要耗費大量時間。操作繁瑣且技術(shù)要求使得小孔法測量效率低下。雖然業(yè)內(nèi)研究者設(shè)計了多種便攜的鉆孔或測應(yīng)變的裝置，但是對于需要鉆數(shù)百甚至數(shù)千個孔的大型毛坯測量工程，采用人工測量依然存在操作繁瑣、測量周期長的問題需要解決。

3.毛坯試件應(yīng)力分布測量

針對上述僅數(shù)毫米厚度的薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力測量需求，我們進行了深入系統(tǒng)地研究，并在國內(nèi)多家相關(guān)機構(gòu)進行了調(diào)研，最后采用了鉆孔應(yīng)變計法。鉆孔應(yīng)變計法應(yīng)力測量過程如圖 3.1所示

4.結(jié)論

通過理論計算和數(shù)據(jù)模擬分析得出了如下結(jié)論，試驗后初始?xì)堄鄳?yīng)力分布規(guī)律和模擬過程基本吻合，計算的變形量理論結(jié)果和有限元結(jié)果能夠很好吻合，研究中的殘余應(yīng)力都小于材料的屈服應(yīng)力，所產(chǎn)生的變形都在彈性范圍內(nèi)。測試中忽略了加工過程引入起的殘余應(yīng)力和加工熱，所以要使計算和模擬更具有實用性，還需開展熱力耦合實驗研究。

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