铝合金厚板淬火应力场分布的修正方法技术

本发明专利技术公开了铝合金厚板淬火应力场分布的修正方法，结合X射线表面应力标定和有限元建模仿真，完成了对传统层削方法在应力测试过程中所产生的试样形变偏差获取，运用逐层形变补偿多项式拟合函数，完成了对传统计算模型的修正，极大提高层削法应力场计算的精度，使结果对比偏差值控制在±20MPa以内。本发明专利技术包括淬火换热边界条件的获取与修正、层削形变误差分析和层削计算模型的数学修正，其优点为：运用多种测试方法特点，多层次互补地实现应力准确描述，提出了基于多种测试手段的修正方法；克服了传统单一测试方法精度差的缺点；引入了形变补偿函数，修正了测试偏差，获得了较高的测试精度。本发明专利技术方法可靠、分析合理、效果显著，绿色环保，可有效提高铝合金等厚板内应力计算精度，适用于工业化和科研应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了，属于工业测试

技术介绍
铝合金厚板制备过程会使板内产生较大的残余应力，从而影响后续加工制造，因此需要对厚板的应力分布状况和强度水平进行测试和消减。其中厚板内部残余应力的测试一直是国内工程测试技术中的难点，迄今没有一套成熟的方法予以解决，因此如何有效解决厚板内部应力的准确描述问题，对厚板制备能产生良好社会经济效益有着举足轻重的作用。目前应力测试方法中具有国际标准认证的X-ray表面应力测试法，由于衍射所测得的是区域内的微应变，可以直接求取该区域的应力强度，方法直接可靠，具有相当的精度，因此其结果准确性程度很高，一般用来在表面处理加工中标定应力强度。非线性有限元法和软件具有的高效、高精度特点，以此建立的厚板制备过程有限元模型(FEM)，在分析厚 板内应力演变继承规律及分布特点方面独具优势，可以用来作为应力检验和预测的主要手段。但是，模型中一些必要的假设和过于理想的参数与边界条件，使得数值解析计算的结果往往与实际相差较大，特别是反映材料因属性差异所表现出来的塑性变形不均匀性方面，模型还难以做到，因此计算的结果与实际有所偏差。层削法(LRM)在描述实际内应力方面具有优势，理论上其精度可以通过科学实验方法得以保证，但实验方法本身有一定的局限条件，因此计算结果与实际状况也存在差别，同样需要进行修正和完善。综上，每种应力测试算法都有一定的适用场合和局限性，要准确获取厚板内应力场的分布，依靠一种方法无法完成对厚板应力场的规律揭示和分布描述，因此，合理运用每种方法的特点，构建有效的厚板应力场实验测试修正方法，是研究厚板应力分布的重要技术手段。专利
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术之不足，提出一种可操作性强，对铝合金厚板淬火有限元模型和厚板层削实验法计算模型进行修正，从而准确获取厚板应力场的。本专利技术，包括下述步骤第一步铝合金厚板淬火表面换热系数的数据采集和处理将铝合金厚板淬火获得淬火降温时域曲线，将时域曲线以时间步长Λ τ进行离散，假设各离散区间厚板的初始温度内外一致，按式(I)、式(2)换热系数hi解析求解，得到顺序离散区间的换热系数hi。权利要求1.，包括下述步骤 第一步铝合金厚板淬火表面换热系数的数据采集和处理 将铝合金厚板淬火获得淬火降温时域曲线，将时域曲线以时间步长△ τ进行离散，假设各离散区间厚板的初始温度内外一致，按式(I )、式(2)换热系数hi解析求解，得到顺序离散区间的换热系数hi。2.根据权利要求I所述，其特征在于第四步中， 当表面理论应力值大于表面应力平均值时,放大换热系数函数h (T)，使两者的应力值偏差小于± IOMPa ； 当表面理论应力值小于表面应力平均值时,缩小换热系数函数h (T)，使两者的应力值偏差小于± IOMPa ;以此获得仿真条件下参考应力场。3.根据权利要求I所述，其特征在于所述铝合金厚板的厚度大于10mm。4.根据权利要求I所述，其特征在于在铝合金厚板中心埋置热电偶获得淬火降温时域曲线。全文摘要本专利技术公开了，结合X射线表面应力标定和有限元建模仿真，完成了对传统层削方法在应力测试过程中所产生的试样形变偏差获取，运用逐层形变补偿多项式拟合函数，完成了对传统计算模型的修正，极大提高层削法应力场计算的精度，使结果对比偏差值控制在±20MPa以内。本专利技术包括淬火换热边界条件的获取与修正、层削形变误差分析和层削计算模型的数学修正，其优点为运用多种测试方法特点，多层次互补地实现应力准确描述，提出了基于多种测试手段的修正方法；克服了传统单一测试方法精度差的缺点；引入了形变补偿函数，修正了测试偏差，获得了较高的测试精度。本专利技术方法可靠、分析合理、效果显著，绿色环保，可有效提高铝合金等厚板内应力计算精度，适用于工业化和科研应用。文档编号G06F17/50GK102831274SQ201210315929公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日专利技术者廖凯, 吴运新, 李立君, 李新华, 胡劲松, 龚海 申请人:中南林业科技大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
铝合金厚板淬火应力场分布的修正方法，包括下述步骤：第一步：铝合金厚板淬火表面换热系数的数据采集和处理将铝合金厚板淬火获得淬火降温时域曲线，将时域曲线以时间步长Δτ进行离散，假设各离散区间厚板的初始温度内外一致，按式（1）、式（2）换热系数hi解析求解，得到顺序离散区间的换热系数hi。φφ0=T-TfT0-Tf=Σn=1∞2sinλnδλnδ+1/2sin2λnδe-(λnδ)2(aτ/δ2)······(1)cotλnδ=λnδhiδ/λ0······(2)对hi按式（3）进行分段加权平均，得到厚板淬火表面总的换热系数h(T)的函数：h(T)=Σx=0ihxκx......(3)式（1）、（2）、（3）中：Tf、T0、T、θ－分别为环境温度、板初始温度、板内温度和过余温度；a、k、h、τ，i－分别为放热系数、热传导率、换热系数、淬火时间，离散个数；λn、δ—分别为超越方程的前n级解、二分之一板厚；κ—表示加权系数；第二步：进行厚板淬火仿真建模，获得理论应力场运用MSC.Marc或ANSYS非线性有限元软件进行仿真建模；A、淬火温度场仿真建模:(a)建模几何尺寸、物热属性及初始条件应与实验厚板几何尺寸、物热属性和热处理温度条件一致；(b)将第一步计算得到的表面换热系数结果导入温度场模型中，作为厚板淬火温度场建模边界条件；(c)由于厚板形状规则，由对称关系，取二分之一长度进行建模，无约束；(d)在模型的中部设置与实验试样尺寸一致的取样模块，取样应用“生死单元”技术；(e)模型均采用8节点6面体3D实体单元，热场单元类型为43号。根据淬火温度场模型，得到厚板淬火温度场；B、淬火应力场仿真建模:(a)建模几何尺寸、物热属性、网格划分方法、单元个数、取样方法与温度场建模一致；(b)将淬火温度场作为淬火应力场初始条件；(c)由于厚板形状规则，由对称关系，取二分之一长度进行建模仿真，约束条件为：在厚 板对称面的单元面上约束三个坐标方向位移；(d)模型均采用8节点6面体3D实体单元，力场为7号；根据有限元数值计算规则，按计算结果满足收敛条件，设置迭代次数、时间步长、容限误差参数，计算获得理论温度场和理论应力场结果；第三步：对淬火厚板试样进行表面应力标定将厚板试样加热至固溶温度T0，保温后淬火，按X？ray衍射技术进行表面应力标定，对标定的表面应力值进行数据统计，得到厚板试样表面应力平均值；第四步：修正淬火仿真模型热边界条件，获得参考应力场将第三步得到的表面应力平均值与第二步得到的表面理论应力值进行比对，根据比对结果调整换热系数函数h(T)，使表面理论应力值与表面应力平均值偏差小于±10MPa，得到调整后的换热系数函数h(T)，进而修正淬火仿真模型热边界条件，获得参考应力场；第五步：按层削法测定厚板实验应力场逐层铣削第三步所得的淬火厚板试样，获得逐层应变值，根据弹性力学中的应力？应变关系，计算得到厚板平面X、Y两个方向逐层应力值cx(t)、cy(t)：再运用式（4）、（5）将这些应力值拟合得到厚板应力场函数：σx(z)=Σi=0nAiPi.....(4)σy(z)=Σj=0mBjPj.....(5)其中Pi=(tz)i,Pj=(tz)jt—剥除层厚度；c(z)—板厚z处的应力；多项式待定常系数Ai、Bi；z为厚板深度；n、m为多项式阶次；第六步：将第五步实测变形量与第四步参考应力场对应的理论变形量比对，得到离散的变形量误差数值，对各离散变形量误差数值拟合为随层深变化的应力误差函数（6）：f(z)=Σi=0nKizi---(6)将应力误差函数（6）代入第五步所得实验应力场函数（4）、（5）中，得到修正后的应力场函数（7）、（8）；σx(z)=f(z)·Σi=0nAiPi---(7)σy(z)=f(z)·Σj=0mBjPj---(8)....

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖凯，吴运新，李立君，李新华，胡劲松，龚海，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：