基于残余应力释放的航空结构件加工变形模型与结构优化方法

在毛坯成形过程中,材料力学性能的非均匀性导致铝合金厚板内产生残余应力,以致在后续切削加工过程中,随着材料的去除,残余应力的释放使得整体结构件发生变形,严重影响着整体结构件的尺寸稳定性。因此,定量化研究切削过程中残余应力释放的加工变形分析与预测是进行加工质量控制的核心环节,对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。通过铝厚板的材料去除转化为残余应力的释放,利用静力平衡条件将作用于整体结构件的残余应力等效为外力后,综合考虑铝厚板横向方向和轧制方向的残余应力,依据弯曲变形理论创新性地建立铝厚板内初始残余应力释放模型。残余应力释放模型不仅能够准确地计算整体结构件的加工变形,而且还能够方便地优化工艺参数完成加工变形的有效控制。根据模型计算值与有限元仿真值、实验测量值的相互比较,分析结果表明:无论是幅值还是变形曲线,计算值都与仿真值具有高度一致性,而与测量值相比,尽管在变形曲线上具有很好的吻合性,但由于残余应力的测量误差使得两者在幅值上亦存在一定误差。     

毛坯开槽方式中零件加工变形的演变机理与控制方法

广泛用作飞机薄壁整体结构件毛坯的铝合金厚板,在制造过程中出现的塑性变形不均匀性将导致残余应力的产生。高速铣削过程中残余应力的释放将引起飞机薄壁整体结构件的加工变形,这严重影响加工质量。因此,建立了毛坯释放变形后零件铣削的有限元仿真方法,挠度解析法的计算结果和实验测量的数据均验证了有限元仿真值无论是在趋势上还是变形量上均高度吻合。利用有限元方法揭示了开槽方式对毛坯释放变形的影响规律,分析了零件加工变形与毛坯释放变形之间的关系。结果表明:毛坯释放多大变形量,零件就能减小多大的变形量。在建立毛坯释放变形预测模型的基础上,提出了开槽方式的遗传算法优化方法,随机测试集表明神经网络的预测精度高达95%左右,而三框件在最佳开槽方式下能减小34.5%的变形。     

2024铝合金喷丸试件疲劳寿命试验及仿真研究

现有的喷丸材料疲劳性能研究扩展有限元模型没有考虑残余应力对裂纹扩展的影响。对2024铝合金的喷丸与未喷丸试样进行三弯疲劳试验,以明确喷丸工艺对试件疲劳寿命的强化作用。通过ABAQUS建立试件的二维平面应力模型,导入残余应力并利用扩展有限元法模拟循环载荷下裂纹的萌生与扩展,对比试验结果来验证该扩展有限元数值模型的正确性。最后基于该数值模型,改变载荷工况,研究不同载荷工况下残余应力对疲劳寿命的影响,得到喷丸残余应力强化作用与载荷工况的关系。结果表明:喷丸引入的残余应力可以有效地增强试件的疲劳寿命;过大的循环载荷可能造成喷丸残余应力发生松弛;在最大载荷不变的前提下,应力比越小,试件疲劳寿命越短;应力比越大,残余应力对疲劳寿命强化效果越明显。     

7850-T7451铝合金板材孔挤压工艺性能研究

铝合金产品在目前的市场上已经屡见不鲜,也是金属制造行业中一项极为重要的分支。本文采用挤压棒直接冷挤压的方法对7850-37451铝合金厚板进行了孔挤压强化,对比分析了其孔挤压前后疲劳寿命状态原因;并与第三代高纯7850-T7451铝合金厚板孔挤压强化效果进行对比。通过扫描电镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线应力（XRD）等方法,研究了两种合金的疲劳断口形貌特征、微观组织变化以及孔表层的残余应力场。结果表明,采用4％～6％的挤压量对7850-T7451厚板进行挤压强化可取得较好的疲劳强化效果,试件的疲劳寿命是未挤压强化前的29倍;而7850-T7451铝合金厚板疲劳寿命仅是未挤压强化的5．5倍。孔挤压后,7850-T7451厚板在强化层产生位错缠结及残余压应力,压应力层深度约为7．3mm,最大残余压应力出现在距孔边约1m处,应力值为387MPa。强化层内形成的位错胞状结构和残余压应力可有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高试件的疲劳寿命。     

浅谈薄壁零件的加工方案

薄壁零件在加工过程中,加工工艺性差,在切削力、残余应力、切削热、工艺刚性等因素的影响下,薄壁零件容易发生变形,不易控制加工精度和提高加工效率。本篇对薄壁零件的整个加工过程中引起变形的几个因素进行分析,并找到具体的加工方案,保证零件的加工精度。     

含腐蚀坑结构损伤演化评估过程

基于有限元理论并结合局部应力应变法, 得到了确定尺寸腐蚀坑底部在疲劳载荷作用下产 生非扩展裂纹的萌生寿命值;采用断裂力学模型 通过求解数值积分和非线性方程,得到了微裂纹 扩展到极限尺寸的寿命值和等效裂纹的尺寸;采 用神经网络技术建立了腐蚀坑尺寸与等效裂纹尺 寸之间的非线性映射关系。     

退火42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其失效模型

在室温下,对退火42CrMo钢的单轴棘轮行为以及棘轮-疲劳交互作用进行了系统的实验研究。结果表明:非对称应力循环下产生的棘轮变形会缩短材料的疲劳寿命,材料在非对称应力循环下的低周疲劳寿命受到平均应力、应力幅值、最大应力和应力比等多种因素的影响。在对实验结果分析与讨论基础上,针对棘轮-疲劳交互作用,提出了一个基于最大应力和应力比的、简单而合理的疲劳失效寿命估算公式。该模型考虑了棘轮变形对疲劳寿命的影响。与实验结果的对比表明:该公式能较好的估算各种非对称应力循环下的低周疲劳寿命,所有计算结果均在2倍分散带内。     

基于Simufact的割草盘控制杆焊接成形质量控制研究

目的 保证割草机割草盘控制杆焊后的装配精度和尺寸稳定性.方法 采用Simufact Welding软件对割草盘控制杆焊接过程进行模拟仿真.通过建立合适的热源模型,得到焊后变形和焊接应力分布情况.结果 椭圆板焊缝处为焊接变形最大的区域,最大总变形量为0.73 mm;焊后最大等效应力为395.59 MPa,且沿焊缝两侧向外扩展,等效应力呈递减趋势.结论 通过工装优化方案,实现了焊后残余变形控制,最大变形量由0.73 mm降低到0.41 mm,且未引起焊接残余应力的上升,但焊后残余应力仍处于较高的水平,可通过焊后退火消除残余应力.     

基于WIM数据分析的上海长江大桥拉索疲劳应力谱研究

拉索是斜拉桥的关键承重构件,拉索的疲劳状态直接关系到斜拉桥的正常运营,交通载荷导致的索力变化是拉索疲劳损伤和寿命评估的关键因素.本文利用上海长江大桥动态称重系统采集到的车辆载荷相关数据,依据等效疲劳损伤原理,推导出代表实际运营车辆的等效载荷谱,将载荷谱加载到ANSYS模型中获得拉索应力历程,采用泄水法,建立拉索应力谱,为拉索疲劳损伤及寿命评估提供可靠的依据.     

提高大直径铝合金环形件车加工精度方法

某公司大直径铝合金环形件由于自身刚性差易变形,加工过程中的应力重新分布导致零件合格率极低,原加工过程中每道工序都出现零件圆周和端面跳动较大问题,由于最终交付要求自由状态下达到所有特性要求,因此该件交付遇到困难,解决该类零件加工过程变形问题,是实现零件交付的必要前提。本文主要提出:通过调整自由度限制顺序并尽量实现不引起装夹变形;通过反复车平两面来逐步减小端面跳动量;通过优化刀具牌号及加工参数降低零件表面残余应力;通过加工中注意冷却方法解决铝合金变形问题和通过无法使用测具的情况下如何保证加工精度。     

孔强化对TC18钛合金疲劳寿命的影响

为提高TC18钛合金带孔零件的疲劳寿命,使用基体和焊缝上开孔的TC18钛合金试样,研究孔挤压和孔喷丸强化前后的表面残余应力,孔强化工艺对试样疲劳寿命的影响以及试样疲劳断口.研究表明,对基体和焊缝上的孔进行喷丸强化处理后,孔表面残余压应力值达到-300MPa以上,由于残余压应力和表面完整性的作用,孔喷丸强化效果比挤压强化...     

拉-拉疲劳载荷下钛合金湿喷丸的残余应力松弛及再次喷丸工艺EI北大核心CSCD

采用湿法喷丸强化工艺(wet shot-peening)对TC4钛合金表面进行处理,研究高、低周的拉-拉疲劳过程中合金残余应力松弛规律,探讨再次喷丸工艺(re-shot-peening,RSP)对疲劳寿命的影响。结果表明:在拉应力载荷状态下,残余压应力依然发生松弛现象。疲劳载荷水平对喷丸TC4钛合金残余压应力场(CRSF)的松弛速率、松弛程度和松弛范围具有重要影响。高周疲劳(HCF)过程中残余应力松弛主要发生在近表层0~30μm,松弛速率较慢。低周疲劳(LCF)过程中残余应力松弛发生在0~80μm,范围更大,速率更快。RSP周期对于TC4钛合金的疲劳寿命也具有较大影响。在25%和50%初始喷丸疲劳寿命进行RSP处理会显著提高疲劳寿命,而在75%初始喷丸疲劳寿命处进行RSP处理对于疲劳寿命基本没有影响。此外,RSP的强化效果与疲劳载荷水平相关,对于高周疲劳寿命提高明显。     

化学铣切铝合金的疲劳性能

铝合金的化学铣切已经成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法,尤其是在加工飞机蒙皮时要比用传统的机械加工方法优越得多.但化学铣切在一定程度上会降低材料的疲劳寿命,是由于存在于金属板材表面抗疲劳的残余压应力在化铣过程中释放后造成的.因此有必要考虑化铣工艺对飞机疲劳寿命的影响.通过对化学铣切的2024-T3包铝疲劳性能的研究,以及对大型薄形试片疲劳试验方法的探讨,确定该化学铣切工艺完全能满足民用飞机疲劳寿命的要求.     

钛合金疲劳试样加工残余应力的表征及其对低周疲劳寿命的影响

目的 探究钛合金TC4低周疲劳试样加工过程中残余应力的变化及残余应力对低周疲劳寿命的影响.方法 采用X射线衍射法分别对车、磨、抛后的试样进行表面残余应力的表征,分析加工工艺对其的影响,利用液压伺服万能试验机进行低周疲劳试验,分析其表面残余应力对寿命的影响.结果 经过粗车、精车、磨削、纵抛,试样加工表面的残余应力不断减小...     

大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析

目的 研究大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接,优化结构设计和工艺设计。方法 建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型,通过数值模拟的方法,定量分析大厚度奥氏体不锈钢筒体焊接变形和应力。结果 零件下部38 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm;零件下部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm;零件中部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm;零件上部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.8 mm。填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm。焊接残余应力最大值在450 MPa左右,应力主要分布在焊缝附近。热处理后,焊接残余应力都有明显降低,最大残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右,焊接残余应力范围存在一定程度减小;焊接残余变形变化较小,热处理后某些位置的变形略微有所增大。结论 模拟结果表明,大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力在可接受范围内,焊后热处理对释放残余应力有重要作用。     

不同释放程度下下肢动脉支架的疲劳强度及寿命预测

目的 探究释放程度和支架结构对支架疲劳寿命的影响。方法 利用有限元法分析3款镍钛合金下肢动脉支架(Complete SE、E–luminexx–B和Pulsar–35)在脉动载荷作用下的力学性能,基于疲劳应变理论评估支架的疲劳强度,使用Fe–safe和Abaqus软件预测支架在不同释放程度(80%、85%、90%)下的疲劳寿命及安全性。应用Origin软件对支架应力与疲劳寿命进行拟合。结果 支架在释放尺度为80%~90%下的疲劳强度均满足10年疲劳寿命的要求。3种支架释放程度为90%时,疲劳强度大,寿命长;释放程度为80%时,疲劳强度、寿命及安全系数小。相同释放程度下,偏置型波峰结构支架变形后的交变应变及弹性应力值最大,支架寿命及安全系数最小;对称型波峰结构支架CE的寿命及安全系数小于EB。通过LangevinMod函数拟合PR支架疲劳寿命,拟合优度R²>0.99。结论 随着释放程度的增大,3款支架疲劳强度、寿命及安全系数呈增大趋势。在相同释放程度下,支撑单元对称型波峰结构支架疲劳强度、寿命及安全系数比偏置型波峰结构支架大,减小对称型波峰结构支架的连接体宽度有利于提高支架寿命。     

概率局部应力应变法

实际工程中的结构件往往具有多个不确定因素,包括材料、几何、载荷等。这些不确定因素导致构件的局部应力应变响应和疲劳寿命响应具有随机性。因此对低周疲劳分析中的局部应力应变法进行了概率分析。通过基本随机变量将诺伯法中的循环应力应变曲线(迟滞回线)和诺伯公式表示为概率曲线,基本随机变量反映了构件的不确定因素。通过建立近似拟合多项式的方法,求得局部应力应变的随机响应。将应变寿命曲线视为概率曲线,采用随机累积损伤理论,通过同样方法得到疲劳寿命的随机响应。算例表明结果与蒙特卡罗模拟的结果十分接近。该方法是一个简单有效的疲劳寿命概率分析方法。     

FRP布加固具有中心裂纹板条的断裂疲劳性能

研究了FRP布加固具有中心穿透裂纹板条在两端拉伸载荷作用下的断裂和疲劳,得到了FRP布加固板条的界面剪应力,利用叠加原理和断裂力学的基本结果,推导了FRP加固板条裂纹尖端的应力强度因子解析表达式。在此基础上,分别给出了FRP加固具有中心穿透裂纹板条Paris和Elber模型的疲劳寿命预测公式,通过实例计算发现,循环荷载作用下FRP加固具有中心穿透裂纹板条的裂纹闭合效应非常显著,应采用Elber模型预测其疲劳寿命,而对于未加固的裂纹板条,应采用Paris模型预测其疲劳寿命。同时,参数分析表明:FRP布加固长度存在最优值,且FRP刚度对应力强度因子幅值影响显著,应力强度因子幅值随着FRP刚度的增加而减小,因此,其疲劳寿命延长。     

起升载荷下门式起重机主梁损伤与疲劳寿命预测研究

为研究起升载荷下门式起重机主梁的损伤和疲劳寿命,通过有限元软件ANSYS Workbench建立门式起重机主梁力学模型,采用nsoft疲劳分析软件对主梁的动静态力学特性和疲劳损伤进行了分析,采用nCode GlypWorks中的Rainflow模块对各载荷作用的应力时间历程进行雨流计数、载荷外推和叠加,采用nCode GlypWorks中的Stress Life模块计算主梁的疲劳寿命以及敏感性分析,得到不同工况下门式起重机箱型主梁应力和应变云图以及叠加后雨流直方图、主梁损伤直方图、裂纹—寿命关系曲线.研究结果表明:主梁的最大等效应力位置在跨中或端部以及主梁与支腿连接部位,易产生疲劳损伤;40t以上起重量是造成主梁损伤主要载荷;过载、残余应力和表面粗糙度均对主梁的使用寿命具有明显影响.冲击损伤仿真结果与计算结果较为接近,说明冲击损伤计算结果具有较高的可信度.     

基于背应力功的疲劳能量模型及其在轮槽构件寿命预测中的应用

基于局部应力-应变法与疲劳损伤能耗结构,以疲劳过程中背应力塑性功累积为基础,建立了一种新的缺口构件疲劳寿命预测能量模型,并将其应用于某型汽轮机轮槽结构件的疲劳寿命预测。通过与试验结果相比较,初步验证了模型的预测精度(预测寿命与试验寿命误差小于20%)。此外,还进一步将上述能量模型与传统疲劳寿命预测能量方法进行了比较。结果表明,基于背应力塑性功累积的疲劳损伤描述可进一步提高疲劳寿命预测精度,值得工程疲劳设计者重视。