高強鋁合金預拉伸厚板殘余應力場分層法建模研究.pdf

1、高強鋁合金厚板是航空、航天、國防、船舶、輕工等領域的重要結構材料。其作為整體部件材料，不僅可以增強機體強度，還能夠減少飛機構件數(shù)量和裝配工時，因此作為國家”大飛機”項目的主要用材。然而高強鋁合金厚板通常需經(jīng)固溶強化，以提升板材力學性能。強化處理工藝在板內(nèi)形成高達100～300 MPa的殘余應力。若應力消減工藝不當，則殘存的殘余應力將使厚板在加工中發(fā)生變形，影響構件的疲勞強度和抗應力腐蝕開裂性能。預拉伸厚板在重大項目中的應用對板內(nèi)殘余應力

2、水平控制提出了嚴格要求。因而開展高強鋁合金厚板殘余應力消減機理及數(shù)學建模研究，進一步優(yōu)化工藝并降低板內(nèi)應力水平具有十分重要的意義。
　　本文圍繞淬火-預拉伸厚板殘余應力的演化機理，針對殘余應力實驗測試、鋁合金應變空間彈塑性本構建模、金屬薄板平面變形下厚度建模、鋁合金預拉伸厚板殘余應力場分層法建模以及殘余應力的宏觀消減機理等開展研究，主要有以下幾個方面:
　　1、研究了典型高強鋁合金厚板在不同固溶強化工藝和預拉伸條件下的殘余應

3、力場分布規(guī)律。實驗測定了2A12和7075兩種鋁合金淬火厚板在淬火-預拉伸工藝中的殘余應力場。發(fā)現(xiàn)在陣列噴淋及水浴淬火方式下厚板內(nèi)部都形成了“內(nèi)拉外壓”的殘余應力場典型分布;噴淋方式的淬火強度相對較低，只在厚板靠近表層的地方形成了較大的殘余應力;水浴方式淬火強度更大，在厚板整個厚度上形成了倒U形分布的殘余應力;預拉伸使噴淋和水浴兩種淬火板內(nèi)的殘余應力都大幅度消減。
　　2、針對淬火工藝在厚板內(nèi)部形成的力學性能不均性開展研究，通過7

4、075厚板的屈服強度和硬度測試結果的相互印證，表明沿板厚方向確實存在明顯的強度和硬度不均勻性，強度值從厚板表層到芯部呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;研究了7000系鋁合金鋁合金在淬火-預拉伸過程中的力學性能演化規(guī)律，并根據(jù)實驗情況確定了7075厚板在淬火—預拉伸的多個關鍵時間節(jié)點處的力學性能。研究發(fā)現(xiàn)7075合金在淬火結束時屈服強度低于實驗測得的殘余應力水平，從而發(fā)現(xiàn)殘余應力在時效過程中出現(xiàn)增長的現(xiàn)象。
　　3、從應變空間表述的塑性增量本構模

5、型一般形式出發(fā)，根據(jù)鋁合金等線性強化材料特性建立了應變空間彈塑性本構模型。以應變空間的形式建立材料的屈服準則、流動法則、內(nèi)變量和塑性模量等準則及參量，建立起適合鋁合金等線性強化材料應用的彈塑性增量模型。
　　4、研究了鋁合金板材在平面應力且平面內(nèi)變形條件下的厚度變化規(guī)律。以各向同性線性強化材料在應力空間的彈塑性本構模型為工具，推導出薄板在平面內(nèi)變形已知時厚度方向應變的計算模型。建立了加載過程中應力分量間成恒定比例關系時用于求解厚度

6、應變的η-η線方程;建立了應變增量分量在屈服加載階段為非線性比例關系時，計算板內(nèi)應力和厚度的計算模型，通過與應力/應變空間彈塑性理論和MSC.Marc下有限元仿真之間的比較對模型進行了驗證。
　　5、基于分層法建立了預拉伸厚板殘余應力場力學模型，并以7075厚板實驗結果進行了驗證研究。建立了多層薄板貼合的厚板組合結構;基于應變空間增量本構關系研究了厚板各深度處材料在拉伸關鍵點處的應變及應力特征，從而建立起厚板整體的應力演化模型;通

7、過導入7075厚板實驗數(shù)據(jù)，研究該模型預測預拉伸厚板殘余應力場的準確性;研究了力學性能沿板厚的不均勻分布對預拉伸厚板殘余應力場的量化影響。
　　6、研究了厚板殘余應力場的消減機理，揭示了厚板殘余應力演化規(guī)律。通過分析厚板預拉伸過程中各深度處自由尺寸的變化情況，揭示了預拉伸消減殘余應力的機理是各深度處的自由尺寸差異減小;研究發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中，厚板內(nèi)軋制和橫向殘余應力的消減不同步，導致在拉伸率不同時兩者的消減程度不一;研究還揭示了預拉