[发明专利]一种铝合金预拉伸板材残余应力的表征方法

说明书

本发明公开了一种铝合金预拉伸板材残余应力的表征方法，包括：(1)测试铝合金板材的基本物性参数，建立板材三维淬火‑预拉伸有限元模型；(2)利用所述有限元模型模拟同种铝合金板材淬火‑预拉伸过程，求解板材预拉伸后残余应力场分布；在实验室条件下测试相同尺寸板材的实际残余应力分布；根据测试结果对淬火‑预拉伸有限元模型进行优化；(3)分析有限元模型模拟结果，筛选板材表面残余应力分布典型位置，布置测试点，检测测试点处的表面残余应力；(4)根据表面残余应力实测结果，优化数值模拟的边界条件；(5)当优化后的有限元模型所推测的表面典型位置残余应力与实测结果比较接近时，以数值模拟结果作为板材残余应力状态的间接评价。

技术领域

本发明涉及一种铝合金预拉伸板材残余应力的表征方法，属于材料分析检测领域。

背景技术

铝合金材料作为具有优异的比强度、比刚度、加工成型性能的结构材料，已经广泛应用到以航空航天为代表的各大工业领域中。而在航空工业领域中，结构件加工倾向于向大型化整体化发展，以减少零件数量，提高装配精度与装配效率。铝合金板材在生产过程中不可避免的会产生残余应力，过高的残余应力会导致板材在加工成为零件的过程中发生翘曲，严重的甚至发生损坏，严重影响了制造效率与成本。目前铝加工企业通过对固溶淬火态板材进行预拉伸处理以消减残余应力，但如何实现对板材残余应力消减效果的准确评价仍然是行业内的共性难题。因此迫切需要发展一种快捷、低成本并可用于生产现场测试的残余应力评价方法。

目前较为成熟的残余应力测试方法以钻孔法、X射线衍射法为代表，但其缺点在于两种方法都只能测试表面残余应力，而且钻孔法为半破坏性方法，对板材表面残余应力状态进行全面评价时需消耗大量人力物力，X射线衍射法测试深度过浅，无法体现材料宏观残余应力状态。此外，目前发展的测试深度更深、准确度更高且无损的中子衍射、同步辐射X射线衍射等方法则只能在实验室条件下进行测试。

发明内容

为了解决现有应用于工厂成品规格预拉伸板材残余应力测试技术普遍存在测试深度不足，无法全面评价板材残余应力状态的问题，本发明提供一种铝合金预拉伸板材残余应力的表征方法，通过该方法可以快速、全面地评价成品规格铝合金预拉伸板材残余应力分布状态。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铝合金预拉伸板材残余应力的表征方法，包括以下步骤：

(1)测试铝合金板材的各项基本物性参数，基于上述参数使用有限元分析软件建立板材三维淬火-预拉伸有限元模型；

其中，淬火-预拉伸有限元模型建立所需基本物性参数通过测试得到，包括0～500℃温度范围内热膨胀系数、密度、比热容、导热系数、泊松比、弹性模量、屈服强度、硬化系数，以及实际喷淋淬火过程中板材表面的换热系数。淬火-预拉伸有限元模型对于物理性质及组织转变机制研究充分的合金采用全耦合模拟，综合考虑淬火及预拉伸过程中的组织演变、相变塑性及相变应力；对其余合金采用准耦合模拟，首先进行非线性瞬态热分析，得到淬火温度场分布，再将温度场分布结果作为初始载荷加载到应力场计算模型中，求解获得淬火应力场分布。

(2)利用所述淬火-预拉伸有限元模型模拟同种铝合金轧向长度100～300mm，横向宽度50～100mm，厚度相同的板材淬火-预拉伸过程，求解板材预拉伸后残余应力场分布；随后在实验室条件下测试相同尺寸板材的实际残余应力分布，包括表面残余应力和内部残余应力；根据测试结果对淬火-预拉伸有限元模型进行优化；

(3)分析有限元模型模拟结果，筛选板材表面残余应力分布典型位置，布置测试点，采用合适的测试方法检测测试点处的表面残余应力；

(4)根据表面残余应力实测结果，优化有限元模型数值模拟结果，重新计算预拉伸板材残余应力场分布；

(5)当优化后的有限元模型所推测的表面典型位置残余应力与实测结果比较接近时，以数值模拟结果作为板材残余应力状态的间接评价。