一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法技术

本发明专利技术提供一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法，所述方法包括使用如下公式(9)预测拉应力和压应力，下式(9)中建立了sinh形式的应力松弛本构模型：

【技术实现步骤摘要】
一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法
本专利技术属于铝合金构件高性能精确成形
，尤其涉及一种航空航天用轻质高强铝合金拉压应力状态下应力松弛时效行为的预测方法。
技术介绍
时效成形是利用铝合金的应力松弛和可时效强化特性，在同一个制造环境中实现构件成形与成性协同制造的新型钣金成形技术。目前，时效成形技术主要应用于成形曲率平缓和结构不复杂的大型薄壁构件，如空客A380上机翼蒙皮。这类构件加载结束后沿着厚度方向分布的应力较小，都处在弹性范围内，因此已有研究都是开展低水平拉应力实验，然后基于相关理论建立描述变形和性能演变的本构模型，最后作为材料属性输入到有限元模型中就能够准确预测构件的成形过程。然而随着科技的快速发展，薄壁构件呈现出结构和形状越来越复杂的特征，导致在弯曲加载结束后应力水平超过了屈服强度，从外表面的最大拉应力过渡到内表面的最大压应力，拉应力和压应力状态对构件成形成性的影响不可忽略，如图1。图1为大曲率构件弯曲加载后的应力分布图。其中图a为大曲率构件的结构示意图，图b为其应力分布图，其中在构件厚度方向的上方为压应力，以负号表示，在构件厚度方向的下方为拉应力，以加号表示。因此，如果仍然选择拉应力开展相关实验研究必然导致最后制造出来的构件精度和性能不准确。因此本领域需要一种精确预测大应力水平范围内拉应力和压应力状态下应力松弛时效行为的方法。
技术实现思路
因此，本专利技术提供一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法，所述方法包括使用如下公式(9)预测拉应力和压应力，下式(9)中建立了sinh形式的应力松弛本构模型：是应力松弛过程中蠕变应变ε随时间的变化率，A、B、k1、n1、n2均为材料参数，为相对位错密度，其值处于0和1之间，σm为基体强化、σss为固溶强化、σdis为位错强化和σppt为析出强化，σ是应力，|σ|是应力的绝对值，sign(σ)是符号函数，当σ是拉应力，该符号函数的值为正数1，当σ是压应力，该符号函数的值为负数-1，sinh为双曲正弦函数，σth为每条曲线的门槛应力，指应力随时间的变化率，E为弹性模量；应力松弛本质上是位错运动，因此方程中描述了位错会对应力松弛的促进作用；松弛过程中各种强化效应对松弛行为起抑制作用，如sinh函数中的分母所示，析出强化权重系数k2表示拉、压应力状态对应力松弛的影响因子；应力松弛过程中，应力先快速降低然后逐渐达到稳态阶段，此时应力保持不变，称为门槛应力σth，相应地(|σ|-σth)称为等效应力，当初始应力绝对值低于门槛应力时，材料不会发生变形和应力松弛。本专利技术中，该方程主要从三方面表征了应力状态对应力松弛行为的影响：(1)同种条件下，拉伸和压缩应力松弛的门槛应力σth不同，表征拉压应力状态下的第二阶段松弛行为；(2)表征拉压应力状态下的第一阶段松弛行为；(3)位错密度演变规律和析出强化权重k2则具有优化同时拟合拉压松弛曲线效果的功能。在一种具体的实施方式中，式(9)中每条曲线的门槛应力σth可以通过以下方程进行拟合得到：式中σ为应力松弛过程中任意时刻应力，A1，A2，A3，t1，t2和t3为决定曲线形状的材料参数。在一种具体的实施方式中，从公式(10)得到如下公式(11)和公式(12)，即建立门槛应力σth与松弛曲线初始应力σi之间的关系：压缩σth＝0.275σi+35.4(11)拉伸式子(10)中的门槛应力σth包括压缩门槛应力和拉伸门槛应力，即式(11)和式(12)的内容。在一种具体的实施方式中，时效过程中，溶质原子不断从过饱和固溶体中分解形成强化相，固溶强化效应不断降低，固溶强化σss可以表示成析出相体积分数的关系：式中，k3表示基体中溶质浓度的消耗程度，取值范围为0到1之间，1表示溶质完全从基体中析出，Css是在没有时效强化时的固溶强度；此外，析出强化σppt与相对体积分数析出相平均直径D和形状因子q有关，建立了如下表达式：式中，Cppt、n4和n5为材料参数；在欠时效阶段，析出相相对体积分数直径D和形状因子q都增加，析出相强化作用增加；但进入过时效后，相对体积分数保持不变而且平均直径增长变缓，析出相粗化加速，即形状因子减小，整体上析出强化开始降低。在一种具体的实施方式中，析出相相对体积分数不仅与时间、形核速率和析出相形貌有关，而且位错密度会促进析出相形核，增加析出相数量，建立了如下析出相相对体积分数方程：式中，是析出相体积分数随时间的变化率，C3、n10、n11和k7为材料参数；q为析出相形状因子；方程中D3/q部分考虑了单个盘状析出相体积的影响。在一种具体的实施方式中，在应力松弛时效过程中，析出相尺寸不仅与时效时间有关，而且还与变形引起的位错密度有关，因此建立了适合应力松弛时效过程的析出相平均直径D表达式：式中C1、n6、k4、k5、n7和n8为材料常数，为析出相平均直径D随时间的变化率，Dmax为应力松弛过程中析出相最大直径；式子考虑了位错密度对析出相增长的促进作用；表达式考虑了应力状态对析出相增长的影响作用，当为拉应力时sign(σ)＝1，应力对析出相是抑制作用；压应力时，sign(σ)＝-1，应力对析出相是促进作用；无应力时，sign(σ)＝0，应力对析出相尺寸无影响。本专利技术中，由于析出相平均直径D考虑了应力状态的影响，因此析出相相对体积分数中也间接体现了应力状态的影响。在一种具体的实施方式中，盘状析出相的形状因子q表征为析出相平均直径D比上析出相盘面厚度h，即q＝D/h；应力松弛时效初期，析出相侧面吸纳溶质原子能力更强，侧面尺寸即D长大更快，而后期由于析出相厚度h长大更快，因此析出相因子呈现先增加后减小的变化趋势，建立如下方程：式中C2、k6和n9为材料参数，t为时效时间，t*为峰值时效时间；exp(-k6(t-t*)2)模拟了析出相形状因子从欠时效到过时效的演变规律；方程统一使用描述在整个过程中形状因子与时间的指数关系。在一种具体的实施方式中，材料在成形过程中会发生加工硬化，即位错强化σdis，可以表示成相对位错密度的关系式：式中，Cdis和n3是材料常数。在一种具体的实施方式中，位错运动是金属发生应力松弛的本质原因，同时又会与析出相发生交互作用，从而影响应力松弛行为和时效强化行为；建立应力松弛时效过程中相对位错密度演变方程：其中C4、C5、C6和n12为材料参数，是应力松弛过程中蠕变应变ε随时间的变化率，是相对位错密度随时间的变化率；方程右边第一、二部分分别表示由蠕变应变引起的位错增殖和动态回复，第三部分表示时效温度下位错的静态回复。本专利技术至少具备如下有益效果：1、本专利技术建立的本构模型在采用同一套参数的条件下能够实现大应力梯度下拉、压应力状态的松弛曲线预测，为大型复杂薄壁构件应力松弛时效成形预测提供理论基础。2、本专利技术方法能实现大型复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法，所述方法包括使用如下公式(9)预测拉应力和压应力，下式(9)中建立了sinh形式的应力松弛本构模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种精确预测拉应力和压应力状态下应力松弛行为的方法，所述方法包括使用如下公式(9)预测拉应力和压应力，下式(9)中建立了sinh形式的应力松弛本构模型：




是应力松弛过程中蠕变应变ε随时间的变化率，A、B、k1、n1、n2均为材料参数，为相对位错密度，其值处于0和1之间，σm为基体强化、σss为固溶强化、σdis为位错强化和σppt为析出强化，σ是应力，|σ|是应力的绝对值，sign(σ)是符号函数，当σ是拉应力，该符号函数的值为正数1，当σ是压应力，该符号函数的值为负数-1，sinh为双曲正弦函数，σth为每条曲线的门槛应力，指应力随时间的变化率，E为弹性模量；
应力松弛本质上是位错运动，因此方程中描述了位错会对应力松弛的促进作用；松弛过程中各种强化效应对松弛行为起抑制作用，如sinh函数中的分母所示，析出强化权重系数k2表示拉、压应力状态对应力松弛的影响因子；应力松弛过程中，应力先快速降低然后逐渐达到稳态阶段，此时应力保持不变，称为门槛应力σth，相应地(|σ|-σth)称为等效应力，当初始应力绝对值低于门槛应力时，材料不会发生变形和应力松弛。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，式(9)中每条曲线的门槛应力σth可以通过以下方程进行拟合得到：



式中σ为应力松弛过程中任意时刻应力，A1，A2，A3，t1，t2和t3为决定曲线形状的材料参数。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从公式(10)得到如下公式(11)和公式(12)，即建立门槛应力σth与松弛曲线初始应力σi之间的关系：
压缩σth＝0.275σi+35.4(11)
拉伸
式子(10)中的门槛应力σth包括压缩门槛应力和拉伸门槛应力，即式(11)和式(12)的内容。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，时效过程中，溶质原子不断从过饱和固溶体中分解形成强化相，固溶强化效应不断降低，固溶强化σss可以表示成析出相体积分数的关系：



式中，k3表示基体中溶质浓度的消耗程度，取值范围为0到1之间，1表示溶质完全从基体中析出，Css是在没有时效强化时的固溶强度；
此外，析出强化σppt与相对体积分数析出相平均直径D和形状因子q有关，建立了如下表达式：



式中，Cppt、n4和n5为材料参数；在欠时效阶段，析出相相对体积分数直径D和形状因子q都增加，析出相强化作用增加；但进入过时效后，相对体积分数保持不变而且平均直径增长变缓，析出相粗...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，杨有良，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43