高強(qiáng)鋁合金預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)分層法建模研究.pdf

1、高強(qiáng)鋁合金厚板是航空、航天、國(guó)防、船舶、輕工等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。其作為整體部件材料，不僅可以增強(qiáng)機(jī)體強(qiáng)度，還能夠減少飛機(jī)構(gòu)件數(shù)量和裝配工時(shí)，因此作為國(guó)家”大飛機(jī)”項(xiàng)目的主要用材。然而高強(qiáng)鋁合金厚板通常需經(jīng)固溶強(qiáng)化，以提升板材力學(xué)性能。強(qiáng)化處理工藝在板內(nèi)形成高達(dá)100～300 MPa的殘余應(yīng)力。若應(yīng)力消減工藝不當(dāng)，則殘存的殘余應(yīng)力將使厚板在加工中發(fā)生變形，影響構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。預(yù)拉伸厚板在重大項(xiàng)目中的應(yīng)用對(duì)板內(nèi)殘余應(yīng)力

2、水平控制提出了嚴(yán)格要求。因而開(kāi)展高強(qiáng)鋁合金厚板殘余應(yīng)力消減機(jī)理及數(shù)學(xué)建模研究，進(jìn)一步優(yōu)化工藝并降低板內(nèi)應(yīng)力水平具有十分重要的意義。
　　本文圍繞淬火-預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力的演化機(jī)理，針對(duì)殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試、鋁合金應(yīng)變空間彈塑性本構(gòu)建模、金屬薄板平面變形下厚度建模、鋁合金預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)分層法建模以及殘余應(yīng)力的宏觀消減機(jī)理等開(kāi)展研究，主要有以下幾個(gè)方面:
　　1、研究了典型高強(qiáng)鋁合金厚板在不同固溶強(qiáng)化工藝和預(yù)拉伸條件下的殘余應(yīng)

3、力場(chǎng)分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了2A12和7075兩種鋁合金淬火厚板在淬火-預(yù)拉伸工藝中的殘余應(yīng)力場(chǎng)。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(yīng)力場(chǎng)典型分布;噴淋方式的淬火強(qiáng)度相對(duì)較低，只在厚板靠近表層的地方形成了較大的殘余應(yīng)力;水浴方式淬火強(qiáng)度更大，在厚板整個(gè)厚度上形成了倒U形分布的殘余應(yīng)力;預(yù)拉伸使噴淋和水浴兩種淬火板內(nèi)的殘余應(yīng)力都大幅度消減。
　　2、針對(duì)淬火工藝在厚板內(nèi)部形成的力學(xué)性能不均性開(kāi)展研究，通過(guò)7

4、075厚板的屈服強(qiáng)度和硬度測(cè)試結(jié)果的相互印證，表明沿板厚方向確實(shí)存在明顯的強(qiáng)度和硬度不均勻性，強(qiáng)度值從厚板表層到芯部呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì);研究了7000系鋁合金鋁合金在淬火-預(yù)拉伸過(guò)程中的力學(xué)性能演化規(guī)律，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況確定了7075厚板在淬火—預(yù)拉伸的多個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)7075合金在淬火結(jié)束時(shí)屈服強(qiáng)度低于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的殘余應(yīng)力水平，從而發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力在時(shí)效過(guò)程中出現(xiàn)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。
　　3、從應(yīng)變空間表述的塑性增量本構(gòu)模

5、型一般形式出發(fā)，根據(jù)鋁合金等線性強(qiáng)化材料特性建立了應(yīng)變空間彈塑性本構(gòu)模型。以應(yīng)變空間的形式建立材料的屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)法則、內(nèi)變量和塑性模量等準(zhǔn)則及參量，建立起適合鋁合金等線性強(qiáng)化材料應(yīng)用的彈塑性增量模型。
　　4、研究了鋁合金板材在平面應(yīng)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(qiáng)化材料在應(yīng)力空間的彈塑性本構(gòu)模型為工具，推導(dǎo)出薄板在平面內(nèi)變形已知時(shí)厚度方向應(yīng)變的計(jì)算模型。建立了加載過(guò)程中應(yīng)力分量間成恒定比例關(guān)系時(shí)用于求解厚度

6、應(yīng)變的η-η線方程;建立了應(yīng)變?cè)隽糠至吭谇虞d階段為非線性比例關(guān)系時(shí)，計(jì)算板內(nèi)應(yīng)力和厚度的計(jì)算模型，通過(guò)與應(yīng)力/應(yīng)變空間彈塑性理論和MSC.Marc下有限元仿真之間的比較對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　5、基于分層法建立了預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)模型，并以7075厚板實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證研究。建立了多層薄板貼合的厚板組合結(jié)構(gòu);基于應(yīng)變空間增量本構(gòu)關(guān)系研究了厚板各深度處材料在拉伸關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)變及應(yīng)力特征，從而建立起厚板整體的應(yīng)力演化模型;通

7、過(guò)導(dǎo)入7075厚板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究該模型預(yù)測(cè)預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確性;研究了力學(xué)性能沿板厚的不均勻分布對(duì)預(yù)拉伸厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)的量化影響。
　　6、研究了厚板殘余應(yīng)力場(chǎng)的消減機(jī)理，揭示了厚板殘余應(yīng)力演化規(guī)律。通過(guò)分析厚板預(yù)拉伸過(guò)程中各深度處自由尺寸的變化情況，揭示了預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力的機(jī)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(guò)程中，厚板內(nèi)軋制和橫向殘余應(yīng)力的消減不同步，導(dǎo)致在拉伸率不同時(shí)兩者的消減程度不一;研究還揭示了預(yù)拉