铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响

航空整体结构件在加工过程中容易发生较大变形。为了研究毛坯的初始残余应力对整体结构件加工变形的影响,采用准耦合方法,利用有限元软件ABAQUS模拟7075铝合金毛坯的淬火过程,研究该过程中温度的变化和残余应力的分布规律,并在含有淬火残余应力的毛坯上进行材料去除模拟。结果表明,模拟产生的比例件的变形与实际加工的比例件的变形非常近似,从而证明了毛坯的初始残余应力是引起整体结构件加工变形的主要因素,同时验证了准耦合淬火模拟的有效性。     

基于残余应力重分布的导轨梁加工变形仿真与变形控制工艺方案研究

为解决大型薄壁铸件导轨梁在材料去除过程中因残余应力的释放与重分布导致变形超差的工艺难题,对导轨梁零件加工工艺进行分析,实现零件模型的简化与子结构分割;同时开展零件毛坯表面残余应力测量,成功建立零件毛坯初始应力模型。在此基础上结合实际加工工艺开展零件加工有限元仿真,模拟加工过程中由于材料去除引起的残余应力释放,预测了加工过程中残余应力重分布规律和加工变形情况。总结了零件加工变形的有限元仿真结果,提出抑制零件加工变形的工艺方案。经验证,改进后的工艺顺序使零件最大变形量由0.485 mm降至0.081 mm,降低83.3%,避免了零件在加工过程中的尺寸超差。同时该平面作为后续加工的基准,保证了后续加工的精度,为生产工艺优化提供了有效的理论依据。     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

沉积态增材制造过程中的沉积路径影响研究

为了揭示沉积态增材制造(AM)过程中沉积路径的影响,采用有限元(FEM)法研究了6种典型的沉积路径下的瞬态温度、瞬态应力、残余应力和残余变形。研究结果表明,在成形过程中,沉积路径对热传导和瞬态温度分布有显著影响,从而在冷却至室温后引起不同的残余应力和残余变形。之字形沉积产生的残余应力和残余变形最大,隔行沉积产生的残余应力和残余变形最小,可认为是最优方案。本文结论可为沉积态增材制造工艺沉积路径方案的制订提供重要参考依据。     

残余应力重分布引起的薄壁零件加工变形研究

现代航空工业中为减轻飞机重量,提高飞机的各项机械性能,整体构件越来越多地被使用。加工大型整体薄壁构件时,有90％以上的材料被切削加工去除,由于材料去除后零件刚度的降低以及应力的释放,造成过大的加工变形。本文用MSC．Marc有限元软件仿真了铝合金预拉伸板材料去除对于加工变形的影响,并分析了加工变形的成因。为验证有限元结果的正确性,在高速数控铣床上加工了同样的试件。结果表明仿真结果与实验结果一致,残余应力的释放与重分布是薄壁零件加工变形的主要原因。     

GH4169孔挤压强化工艺过程数值模拟

在验证镍基高温合金GH4169中心孔挤压(CE)三维有限元模型正确性的基础上,利用单元删除法研究倒角、孔挤压-倒角顺序和铰削量3种具体工艺过程对孔边周向残余应力分布的影响。结果表明:孔边小于芯棒过盈量的初始倒角可以减小孔挤压后残余压应力;采用孔挤压-倒角的工艺顺序可以在孔边获得更小的残余压应力。铰孔可增大孔边入口处残余压应力,去除残余压应力极小值部分的材料。因此,在挤压强化后应尽量避免铰孔。     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

材料初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的影响研究

C/SiC热残余应力影响材料服役性能,而初始缺陷影响热残余应力,因此有必要对平纹编织C/SiC复 合材料的初始缺陷与热残余应力的关系进行研究。通过试样截面扫描电镜(SEM)图像对材料各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,建立含初始缺陷的宏观材料的代表体积单元(RVE)和纤维束 RVE有限元模型;采用 稳态变温法及有限元细观计算力学(FECM)方法预测含初始缺陷的纤维束 RVE有效性能参数及热残余应力。结 果表明：应力预测值与试验值吻合较好,得到了各类初始缺陷与宏观材料热残余应力之间的定量映射关系。     

孔冷挤压有限元仿真中的铰削分界面位置确定方法

开展孔冷挤压过程有限元仿真计算是残余应力分布获取和疲劳寿命预测的前提。在有限元建模阶段，设置铰削层单元与基体材料单元之间的分界面，是模拟铰制终孔工艺过程的关键。通过弹塑性力学分析，建立了挤压强化过程芯棒、衬套和被挤压强化连接孔的应力分析方法；基于分析中得到的不同位置处微单元的径向位移量，建立了铰削分界面相对位置计算模型。并开展了关键参数的敏感性分析，定量研究了关键参数变化对残余应力分布和径向位移量的影响程度。本工作为孔冷挤压强化有限元模型建立中，铰削层单元与基体材料单元分界面相对位置确定，提供了便捷可靠的方法。     

固化残余应力对无人机复合材料机翼强度的影响

复合材料的力学性能与复合材料的固化过程密不可分。复合材料在固化过程中,由于树脂固化收缩、纤维与基体之间的热膨胀系数不匹配等因素,会产生固化残余应力与固化变形。该固化残余应力会影响复合材料结构的力学性能,甚至会引起分层、基体开裂等严重缺陷。因此,有必要研究固化残余应力对复合材料结构强度的影响。针对某型复合材料机翼,首先利用ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了一套基于各向异性黏弹性本构模型的复合材料固化过程分析方法,计算所得固化变形量与试验值误差小于8.24%。其次,采用Hashin强度准则,建立了全复合材料无人机机翼的强度分析有限元模型,机翼失效载荷的预测值相对试验值误差为9.85%。随后,将复合材料固化过程中产生的残余应力作为初始应力条件添加到强度分析模型中,通过有限元方法研究残余应力对全复合材料无人机机翼强度的影响。为研究不同固化参数产生的固化残余应力对结构强度的影响,在合理范围内提出了另外2种固化工艺曲线。模拟结果表明：对于该全复合材料无人机机翼结构而言,固化残余应力导致强度下降,使其强度降低了3.52%,且较优的固化工艺参数下的结构强度比原始固化工艺参数下的结构强度高1...     

Review on residual stress and its effects on manufacturing of aluminium alloy structural panels with typical multi-processes

In the aerospace industry, integrated aluminium alloy plates and stiffened panels with high accuracy and performance attract significant interest. To manufacture these panels as integrity with high accuracy, multiple processes need to be utilised, such as machining, welding and forming. During the whole manufacturing chain, residual stresses can be generated and redistributed in the components among different processes. The residual stress would significantly affect the shapes and properties of the final products. Currently, these great effects are not well considered in the design and manufacturing processes. This paper aims to draw a general understanding of the residual stress generated in the pre-manufacturing processes and its effects on subsequent manufacturing processes. The mechanisms and distributions of residual stresses generated in typical pre-manufacturing processes of structural panels, including machining, welding and additive manufacturing (AM), are firstly summarised. The detailed effects of generated residual stresses on distortion and application properties in subsequent manufacturing processes are then concluded. In addition, current methods developed for the investigation of residual stress effect in multi-processes manufacturing are critically reviewed, including experimental, analytical, finite element (FE) and machine learning methods. Furthermore, the future development trend of methods for residual stress consideration and control in the design of manufacturing processes is summarised, providing comprehensive guidance to achieve the high accurate manufacturing of aluminium alloy structural components.     

飞机整体结构件加工变形的有限元模拟与试验研究

在模拟淬火、拉伸过程获得含有初始残余应力的预拉伸板材以及模拟单齿切削过程获得切削载荷的基础上,提出并采用接力算法,对一航空整体结构件的材料铣削过程进行有限元仿真,同时进行了试验研究.结果表明,有限元模拟的整体结构件的变形与试验具有一致性,从而证明提出的整体结构件加工仿真关键技术的可行性,避免了为研究加工变形而进行的繁琐的试错法.     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

复合材料层板固化全过程残余应变/应力的数值模拟

采用商业软件对带有铝板的复合材料层板固化全过程残余应变/应力进行数值模拟计算。在固化过程的模拟中,应用有限元法计算复合材料层板热-化学模型,有限差分法计算固化动力学模型,通过设置较小的时间步实现求解两个模型强耦合的关系。在残余应力数值模拟中,化学收缩引起的应变在每一计算步以初始应变施加在复合材料结构上。基于以上技术,对带有铝合金的复合材料层板固化全过程残余应变/应力演化进行数值模拟,并分析纤维方向和垂直纤维方向复合材料的残余应变/应力演化历程。通过与试验中层板曲率的比较,验证文中模型计算的准确性。     

An allowance allocation method based on dynamic approximation via online inspection data for deformation control of structural parts

Deformation resulting from residual stress has been a significant issue in machining. As allowance allocation can directly impact the residual stress on part deformation, it is essential for deformation control. However, it is difficult to adjust allowance allocation by traditional simulation methods based on residual stress, as the residual stress cannot be accurately measured or predicted, and many unexpected factors during machining process cannot be simulated accurately. Different from traditional methods, this paper proposes an allowance allocation method based on dynamic approximation via online inspection data for deformation control of structural parts. An Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) model for dynamic allowance allocation is established so as to approach the minimum deformation, which is based on the in-process deformation inspection data during the alternative machining process of upside and downside. The effectiveness of the method is verified both by simulation cases and real machining experiments of aircraft structural parts, and the results show that part deformation can be significantly reduced.     

航空薄壁回转体零件热处理残余应力的建模与仿真

航空薄壁回转体零件由于自身结构的特殊性,使得残余应力对其变形和精度稳定性有着很大的影响.采用热弹塑性有限元模型对薄壁回转体铝合金零件的热处理过程进行建模和仿真,运用有限元软件,对2A12铝合金薄壁回转体零件热处理过程瞬态温度场和应力场进行模拟,分析了热处理各个阶段的应力分布形态,并进行实验验证,数值模拟得到的残余应力值与实验结果基本一致.     

航空发动机TC4机匣加工变形控制研究

航空发动机机匣零件的设计采用整体化、轻量化设计思想,使得结构复杂、规格尺寸大、薄壁特征多,而设计精度要求却在逐渐提高,机匣件加工后产生的变形问题尤显突出。探讨了薄壁结构机匣零件加工变形产生机理,提出分区去除余量控制加工变形的方法。使用Prism电子斑纹干涉钻孔残余应力仪测量了钛合金TC4机匣毛坯表层深度残余应力,通过有限元仿真结果预测出机匣毛坯内部残余应力分布规律。建立了机匣切削加工的有限元仿真模型并进行数值仿真,对两种工艺路线下的变形进行对比分析。最后,通过机匣的切削加工试验验证了仿真结果的正确性。     

基于残余应力分布的框类零件装夹方案优选的有限元模拟

 非均匀分布的残余应力是引起工件变形的主要原因。为了揭示装夹方案对残余应力的影响,利用有限元技术模拟了工件加工过程中不同的装夹方案,并分析了模拟结果。结果表明,装夹位置对残余应力分布具有重要影响,而装夹顺序对残余应力的分布和幅值无较大影响。通过进一步对比分析各种装夹方案中残余应力引起的工件变形得出结论:夹具分布较平均的装夹方案可获得比较均布的残余应力和较小的变形。