飞机整体结构件的“加工变形-疲劳寿命”多目标结构优化方法

在毛坯制造过程中,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,以致在后续的高速切削加工过程中,随着材料的大量去除,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,研究零件结构与零件变形之间的关系对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。首先,将铝厚板内残余应力的释放合理地等效为外载荷的施加,利用材料力学弯曲变形公式建立铝厚板在厚度方向上加工变形的挠度模型。由实际加工测量可知:加工变形的公式解析值、有限元仿真值与实际测量值吻合得很好。为了进一步分析零件结构与疲劳寿命之间的关系,通过名义应力法对零件的最小疲劳寿命与疲劳载荷下零件的最大应力进行等效以简化分析,对部分具有代表性的结构进行静力分析后将其作为样本进行神经网络拟合,得到了以3个腹板位置为输入、零件最大加工变形及最大疲劳应力为输出的神经网络模型。最后利用神经网络模型构建了一个使得最大加工变形和最大疲劳应力都尽可能小的多目标优化问题,使用遗传算法求解该多目标问题后取得的最优解为:3个腹板与零件底部距离分别为8.868 mm、27.992 mm、28.000 mm,此时零件的最大加工变形为0.088 mm,最小的随机疲劳载荷寿命为4.432×107次。     

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。     

基于分子动力学的单晶硅纳米振动切削过程

为了研究脆性材料单晶硅原子级的纳米振动切削加工去除机制，应用分子动力学，通过改变刀具椭圆振动切削的模式，进行单晶硅纳米振动切削仿真．仿真结果表明，主切削力和法向力的变化趋势总体上呈现正弦曲线变化，并且已加工表面不同深度的亚表层存在残余应力；同时在不同切削模式下，由于刀具法向的振幅增加，使得法向力和残余应力增大；当刀具通过已加工表面时，残余应力随着亚表层深度降低而减弱；刀具法向振幅高于主切削力方向振幅时，法向力峰值高于主切削力峰值，已加工表面亚表层没有明显驰豫现象．     

铝合金材料非均匀表面应力的逐层构建与还原

铝合金板坯加工后表层应力呈现非均匀性,且强度高、深度浅.本文运用逐层钻孔应力释放-还原机理,通过积分法和逐层钻孔力学模型构建了材料表层加工应力-变形函数,在考虑材料各向异性条件下,用ANSYS仿真计算标定了5阶校准系数矩阵.同时,对加工表面进行逐层钻孔,孔径尺寸1.8 mm、深度20μm,使孔周围应力释放,并测量释放后应变,最后将实验应变值代入函数求得表面应力分布.计算结果表明:在材料表层100μm的深度范围,计算应力与仿真结果、XRD逐层测试结果均吻合较好,其中计算与实验结果偏差小于10 MPa,说明计算模型能较好地还原材料表层非均匀应力分布.     

7050铝合金结构件热处理与冷成形过程残余应力演化规律的数值模拟

基于Hansel-Spittel黏塑性流变应力模型以及应力-应变曲线构建7050铝合金在不同温度区间的材料本构方程.采用有限元仿真技术,首先分析试块级试样淬火与冷压缩过程的残余应力变化,模拟的分布规律与试块的超声测试分析结果一致.在此基础上,研究带筋条结构的铝合金结构件淬火热处理与冷变形工艺残余应力演化规律,并对结构件开展了超声残余应力测试和机加工变形验证.结果表明:淬火后残余应力呈外压内拉分布.不同的冷变形工艺对结构件淬火残余应力的消减程度有较大差异.对于冷压缩工艺,当变形量超过2％后,辐板压缩对辐板心部的应力状态改善较好,而筋条压缩只改善筋条局部位置的应力状态.3％压下量的冷拉伸工艺对整体的应力状态改变较大,可同时有效改善筋条部位和辐板部位残余应力的均匀性.经冷拉后,铝合金结构件机加工变形程度可得到明显改善.     

不锈钢/铝(铝合金)/不锈钢多层复合板残余应力研究

采用取条法和化学浸蚀法相结合对不锈钢/铝(铝合金)/不锈钢多层复合板的残余应力值进行了测量.结果表明外层不锈钢受到长度和宽度方向的残余拉应力作用,随着轧制复合变形量的增加,多层复合板的残余应力值会逐渐增大.此外还通过热-力耦合的弹塑性有限元法对不锈钢/铝(铝合金)/不锈钢多层复合板的残余应力场进行了模拟仿真,并将模拟结果与试验测量值进行了分析和对比.     

微观状态SiCp/Al复合材料铣削残余应力模拟分析

为了获得更高精度的高体积分数SiCp/Al复合材料铣削加工表面残余应力数据,采用有限元分析软件ABAQUS建立了基于正交切削的微观平面应变模型。复合材料两相材料属性被分别定义,改善了在宏观状态下整体定义材料属性的精度缺陷,并对其微观状态切削残余应力产生过程进行模拟分析。分析并得出了不同切削参数对工件加工表面残余应力的影响规律以及沿工件层深方向的残余应力分布情况。结果表明切削速度和每齿进给量对SiCp/Al复合材料已加工表面残余应力有着相似的影响规律,但每齿进给量的影响作用较为显著。     

高体积分数SiCp/Al复合材料铣削残余应力有限元模拟

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有优良的综合物理力学性能,其难加工性制约着该材料的应用与发展,切削加工产生的表面残余应力严重影响了工件的结构和尺寸精度稳定性。为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的铣削加工表面残余应力,采用有限元分析软件ABAQUS建立了基于正交切削的平面应变模型,并对建立的宏观等效模型进行模拟分析。在模拟结果中,分析并得出了不同切削速度和每齿进给量对工件加工表面残余应力的影响规律以及沿工件层深方向的残余应力分布情况。     

基于振动时效仿真的流变塑性模型

振动时效是一种局部循环塑性现象,当循环载荷与材料内部残余应力叠加超过材料的局部屈服强度时就会发生残余应力释放。采用流变塑性模型对振动时效进行仿真,分析了振动时效过程中应力幅、应变幅、振动频率、振动周期和材料屈服应力等对振动时效的影响。结果表明,振动时效中应力释放很大程度上取决于应力幅或应变幅,振动频率和材料参数也是关键因素,而振动周期或时间对振动时效没有很大影响。将此振动时效模型应用于7075铝合金试样机械载荷下的应力松弛实验,所得结果与仿真较一致。     

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。     

6061-T6铝合金中厚板-节点套多层多道焊数值模拟

为研究铝合金中厚板-节点套接头在多层多道焊后的残余应力和变形分布,本文基于ABAQUS软件建立了该接头三维有限元模型,采用双椭球热源、生死单元法以及顺序耦合法,对6061-T6铝合金中厚板-节点套多层多道焊进行数值模拟,并分析了接头的温度场,以及在夹具约束下的焊接残余应力及变形的分布情况。研究结果表明:数值模拟与实际接头的熔池形状吻合度较高;摆动焊接过程中温度曲线呈多峰结构;焊件的升温速率明显大于冷却速率,且冷却速率随时间逐渐减小;焊接残余应力主要集中在焊缝及夹具区域,且小于6061-T6铝合金在室温下的屈服强度;接头的最大横向残余应力为129.9 MPa,中厚板上的横向残余应力大于节点套上的横向残余应力;接头的最大纵向残余应力为132.9 MPa,沿焊接方向,焊缝处的纵向残余应力呈山峰状分布;该接头在Y轴方向上的变形最大,为1.494 mm,该接头的最终变形结果为上凸变形。     

Temperature, stress and microstructure in 10Ni5CrMoV steel plate during air–arc cutting process

Although the air–arc cutting process has been widely used in the material processing engineering, little information about temperature, stress and microstructure in the plate air–arc cut is known. A three-dimensional finite element model including the material removal and the thermal effect of the arc is developed to study the temperature and stress fields of 10Ni5CrMoV steel plate during air–arc cutting process in this paper. The microstructures and micro-mechanical properties of the parts near the groove especially in heat affected zone (HAZ) are studied by experimental methods, and they also can be used as a method to verify the numerical results. Effects of stresses induced by air–arc cutting process on the initial residual stress fields of base materials are also researched. The results show that the cooling velocity in HAZ is higher than the one of the welding process for the same base material, and the zone with high temperature is very narrow, which means that the temperature gradients near the groove are very steep during the air–arc cutting process; this special temperature field depresses multiphase transformations and coarse microstructures. The evolution of the stress during the air–arc cutting is described, and the numerical results indicate that the characteristics of the evolution of stresses and the residual stresses distribution in the plate in air–arc cutting process seem to be similar to the ones of the butt welding for flat plates. The influences of air–arc cutting process on initial stress fields present two aspects: thermal effect and material removal effect, and the former plays a primary role. Both numerical temperature and stress fields are compared with the experimental ones. It is very important for researchers to clarify the temperatures, stresses and microstructures in the plate during air–arc cutting process, and understand fully the mechanism of influences of air–arc cutting on the plate; it is also very valuable for engineering application of the air–arc cutting process.     

金属板料激光喷丸成形新技术

激光喷丸塑性成形金属板料是从激光强化发展起来的新技术.当激光诱导冲击波的峰值超过材料的动态屈服极限时,板料冲击区的表层发生微观塑性变形,导致了板料厚度方向上不均匀应力分布,使板料发生宏观变形.不同的激光脉冲参数在板料内部产生不同的残余应力,不同的残余应力使板料发生不同的变形,通过控制喷丸的工艺参数来控制板料内部应力场的精确分布,就可实现板料的精确变形.其显著特点是成形精确,且表层留有有益的残余压应力.     

Temperature and stress in a CT3 Steel plate during air-arc cutting and welding processes

Although the air-arc cutting process has been widely used in material processing engineering, little is known about the temperature and stress in the air-arc cutting of plates. Here, a three-dimensional finite element model including the material removal and thermal effect of the arc is developed to study the temperature and stress fields of a CT3 steel plate during the air-arc cutting and welding processes. The influences of the air-arc cutting process on the initial stress field and of the welding process on the initial residual stress are of primary importance. It is very important for researchers to clarify the temperature and stresses during welding and cutting processes and to fully understand the mechanism of the influence of cutting and welding on the plate.     

淬火应力场对铝合金厚板固有频率的影响

建立7075铝合金厚板淬火残余应力场数学模型,理论与实验探讨振动时效中淬火残余应力场对板固有频率的影响。结果表明,板尺寸、密度、均匀性等物理材料特性确定时,其固有频率主要受到残余应力场的分布状态影响,且高阶固有频率受残余应力的影响比低阶固有频率大。淬火残余应力场总是增大板的固有频率,振动时效消减或均匀化残余应力的同时,也将降低各阶次固有频率。     

考虑夹持影响的铝合金板拉伸模拟及试验

为了优化铝合金预拉伸板拉伸过程中的工艺参数,对7075铝合金板淬火过程进行直接热力耦合数值模拟,在获得淬火残余应力分布规律的基础上开展考虑夹钳制约作用时铝合金拉伸过程数值模拟,研究了不同拉伸率时其残余应力消除效果,得出在夹钳制约作用下铝合金板材拉伸后变形3个区域--夹持区、过渡区和均匀区.采用盲孔法对夹持作用下铝合金板...     

铝合金薄壁构件应力继承机制与分布特征研究

为获得厚板-薄壁构件成形过程中应力演变对变形的影响规律,运用铣削加工有限元应力仿真和实验应力测试技术,研究了厚板到薄壁构件阶段应力演变的规律,阐述了应力分布特征.结果表明:薄壁件应力特征分为两部分,一部分以构件变形机制驱动的继承了原有应力分布特征的底部应力场,另一部分则是可进行变形控制的对原有应力分布兼有继承和释放效果的薄壁应力场;加工应力固然影响构件变形,但初始应力和构件形状分布对其影响更显著,并在此基础上提出了薄壁构件变形的控制策略.