基于有限元仿真的模態(tài)寬頻時(shí)效技術(shù)的應(yīng)用研究

鄭 軒

(北京翔博科技有限責(zé)任公司，北京 100086)

基于有限元仿真的模態(tài)寬頻時(shí)效技術(shù)的應(yīng)用研究

鄭 軒

(北京翔博科技有限責(zé)任公司，北京 100086)

通過(guò)有限元法的仿真分析，預(yù)測(cè)構(gòu)件或毛坯中殘余應(yīng)力的分布情況，確定需要均化殘余應(yīng)力的具體部位，就可以根據(jù)工件的材料與幾何形狀確定所需的振動(dòng)模態(tài)。結(jié)合北京翔博科技有限責(zé)任公司自有的模態(tài)寬頻時(shí)效設(shè)備對(duì)機(jī)械加工件進(jìn)行有針對(duì)性(定位殘余應(yīng)力)的時(shí)效處理，可以達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的目的，從而獲得兼顧尺寸穩(wěn)定性與低殘余應(yīng)力幅值的長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)件。

有限元法仿真；模態(tài)寬頻時(shí)效；殘余應(yīng)力

航空、航天結(jié)構(gòu)件的毛坯多采用塑性成形的加工方式，往往存在較大的殘余應(yīng)力場(chǎng)。有關(guān)研究表明，通過(guò)控制淬火工藝來(lái)降低殘余應(yīng)力數(shù)值，其效果非常有限，因此，一般通過(guò)機(jī)械作用或者熱處理的方法對(duì)航空、航天結(jié)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行消除。其中，自然時(shí)效是最古老的時(shí)效方法，在溫度應(yīng)力形成的過(guò)載下，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛從而降低和均化殘余應(yīng)力，使尺寸精度獲得穩(wěn)定，該方法雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，簡(jiǎn)單易行，但周期長(zhǎng)，造成資金積壓，占用場(chǎng)地多，管理比較復(fù)雜，故正在逐漸被淘汰；熱時(shí)效處理法是降低淬火殘余應(yīng)力的傳統(tǒng)方法，但熱時(shí)效需要專(zhuān)業(yè)的加熱爐，投資大，能耗高，效率低，污染環(huán)境，此外，容易產(chǎn)生新的變形和二次應(yīng)力；機(jī)械拉伸法是沿構(gòu)件軋制方向施加一定量的拉伸塑性變形，該方法僅適用于板材或其他形狀簡(jiǎn)單的構(gòu)件，且對(duì)拉伸前板材的組織均勻性要求較高；振動(dòng)時(shí)效技術(shù)就是利用振動(dòng)對(duì)有殘余應(yīng)力的構(gòu)件加循環(huán)載荷，使構(gòu)件內(nèi)某些部位的殘余應(yīng)力與振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力疊加后超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，產(chǎn)生一定的塑性變形，隨之殘余應(yīng)力得到松弛，從而引起內(nèi)應(yīng)力的降低和重新分布。

殘余應(yīng)力是由不均勻的塑性變形引起的，以彈性勢(shì)能的形式存在，而塑性變形本質(zhì)上是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)造成的。從微觀上看，只要溫度在絕對(duì)零度以上，金屬原子始終處于運(yùn)動(dòng)中，由于位錯(cuò)滑移以及殘余應(yīng)力的影響，這些原子處于不穩(wěn)定的亞平衡狀態(tài)，一旦外部載荷的足夠能量作用于這些亞平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)粒子，將重新產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，原有的平衡被打破的同時(shí)，彈性勢(shì)能得以釋放，殘余應(yīng)力隨即下降與均化。振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效均是通過(guò)上述機(jī)理，以達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的目的。

北京翔博科技有限責(zé)任公司提出并使用了高效的殘余應(yīng)力定位時(shí)效方法——頻譜諧波定位時(shí)效[1]，即通過(guò)有限元法進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)構(gòu)件或毛坯中殘余應(yīng)力的分布情況，確定需要均化殘余應(yīng)力的具體部位，就可以根據(jù)工件的材料與幾何形狀確定所需的振動(dòng)模態(tài)。結(jié)合本公司自有的模態(tài)寬頻時(shí)效設(shè)備對(duì)機(jī)械加工件進(jìn)行有針對(duì)性(定位殘余應(yīng)力)的時(shí)效處理，就可以達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的目的，從而獲得兼顧尺寸穩(wěn)定性與低殘余應(yīng)力幅值的長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)件。

下述是高強(qiáng)鋁合金小型薄壁結(jié)構(gòu)件模態(tài)寬頻時(shí)效案例。

選擇加工變形大的結(jié)構(gòu)和材料作為試驗(yàn)件。材料：7075鋁合金；成型方式：熱軋；熱處理方式：500 ℃水淬；機(jī)械加工方式：銑削；毛坯結(jié)構(gòu)：鋁合金薄板(180 mm×360 mm×15 mm)；精加工成品結(jié)構(gòu)：薄壁盒形結(jié)構(gòu)(160 mm×350 mm×10 mm，壁厚2 mm)，如圖1所示。

圖1 7075鋁合金薄壁件成品

1 毛坯淬火工藝仿真及殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)

本案例中認(rèn)為鋁合金板毛坯狀態(tài)的淬火工藝引入的殘余應(yīng)力是引起最終加工變形的主要因素，而淬火殘余應(yīng)力是由不均勻的降溫過(guò)程引起的；因此，本案例通過(guò)對(duì)該熱處理的降溫過(guò)程進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的大小、狀態(tài)及分布，為后續(xù)的“定位時(shí)效”提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

毛坯尺寸為180 mm×360 mm×15 mm，材料為7075鋁合金，力學(xué)性能與熱物理參數(shù)參考國(guó)標(biāo)，對(duì)有限元模型施加剛體約束、初始溫度等邊界條件。在仿真過(guò)程中，初始溫度為500 ℃的鋁合金毛坯通過(guò)表面與室溫20 ℃的水進(jìn)行熱交換，最終采用溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)直接耦合的方式求解鋁合金毛坯在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的初始?xì)堄鄳?yīng)力。

鋁合金毛坯表面在淬火降溫過(guò)程中某一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布與某單元節(jié)點(diǎn)的降溫曲線圖分別如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，由于熱交換主要發(fā)生在金屬表面，鋁合金毛坯在降溫過(guò)程中遵循由四周到中間、由外到內(nèi)的溫度梯度分布規(guī)律(色階越高，代表溫度越高)；另外，圖3中提取的部分單元節(jié)點(diǎn)的降溫曲線說(shuō)明，鋁合金毛坯在降溫開(kāi)始的20 s以?xún)?nèi)已經(jīng)達(dá)到室溫，與熱處理車(chē)間了解到的實(shí)際情況吻合。

圖2 7075鋁合金毛坯淬火降溫過(guò)程的溫度分布

圖3 淬火降溫過(guò)程的溫度—時(shí)間曲線

淬火仿真過(guò)程中鋁合金毛坯充分冷卻后的初始?xì)堄鄳?yīng)力(等效值)分布如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，由于在降溫初期四周的金屬材料最先與外界發(fā)生熱交換，且降溫速率較大，鋁合金薄板在淬火熱處理后的殘余應(yīng)力主要集中在這一區(qū)域——分別沿鋁合金薄板長(zhǎng)短邊分布200～300 MPa的壓應(yīng)力，這一殘余應(yīng)力將是引起鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素。

圖4 7075鋁合金毛坯淬火后的初始?xì)堄鄳?yīng)力(等效值)

2 切削加工仿真及成品加工變形預(yù)測(cè)

初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的加工變形主要包括2種：1)工件整體的翹曲變形；2)由于殘余應(yīng)力的不斷釋放與重分布，造成局部“過(guò)切”或“欠切”的銑削誤差變形。真實(shí)的加工變形是2種變形的綜合。

本文主要考慮初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)于工件整體變形的影響，銑削誤差變形影響較?。灰虼?，不必逐步進(jìn)行銑削過(guò)程仿真，而是將要去除的材料單元一次完全“殺死”，這樣可以大大提高計(jì)算效率。

在鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形預(yù)測(cè)與實(shí)際加工變形的結(jié)果對(duì)比中(見(jiàn)圖5)可以清楚地看到，7075鋁合金毛坯薄板經(jīng)過(guò)淬火處理及后續(xù)的切削加工后，發(fā)生了中間翹曲的宏觀變形(見(jiàn)圖5b)，其趨勢(shì)與變形量和CAE仿真結(jié)果(見(jiàn)圖5a)基本吻合。一方面，驗(yàn)證了上述對(duì)該鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力與加工變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性；另一方面，基于特定的位移場(chǎng)(變形)可以確定唯一的應(yīng)力場(chǎng)這一準(zhǔn)則。由此可以得到如下推論：由于仿真與實(shí)際發(fā)生的變形情況的近似性，可以認(rèn)為真實(shí)的加工變形是由與仿真得到的初始?xì)堄鄳?yīng)力場(chǎng)相近的應(yīng)力場(chǎng)造成的，二者具有可替代性；因此，可以針對(duì)鋁合金毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力仿真結(jié)果，制定相應(yīng)的模態(tài)寬頻時(shí)效方案。

圖5 鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測(cè) 與實(shí)際加工結(jié)果對(duì)比

3 模態(tài)寬頻時(shí)效工藝實(shí)施

由于本項(xiàng)目的首要目標(biāo)是對(duì)成品件加工變形的抑制，采用對(duì)比試驗(yàn)法，選擇典型結(jié)構(gòu)試件，進(jìn)行模態(tài)寬頻時(shí)效和不時(shí)效2種情況下的加工試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量上述2種情況下的變形量，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)模態(tài)寬頻時(shí)效技術(shù)在鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)FEA仿真技術(shù)，得到7075鋁合金毛坯淬火后的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)，即可以根據(jù)動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加屈服的振動(dòng)時(shí)效宏觀機(jī)理，選擇有針對(duì)性的模態(tài)振型與對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率。不同頻率段的模態(tài)動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。1、2分別為鋁合金淬火板在51和110 Hz的模態(tài)振型產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力；3、4分別為較高頻率段——212和425 Hz的模態(tài)動(dòng)應(yīng)力。由圖6可以看出，較低頻段(<167 Hz)的模態(tài)振型與動(dòng)應(yīng)力的覆蓋范圍總是有限的，主要集中在工件的中心位置，與殘余應(yīng)力的集中區(qū)域不能完全重合；中頻段(167～300 Hz)出現(xiàn)的模態(tài)振型與動(dòng)應(yīng)力的覆蓋范圍有較大的拓展；當(dāng)模態(tài)頻率達(dá)到>300 Hz的高頻段時(shí)，在板材的各個(gè)位置均可較均勻地出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力，預(yù)計(jì)該振型對(duì)殘余應(yīng)力的降低與均化效果最為理想。

圖6 不同頻率段的模態(tài)動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

模態(tài)寬頻時(shí)效及工件的加工流程示意圖如圖7所示。

圖7 7075鋁合金薄壁件加工流程示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)量7075鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件精加工后自由狀態(tài)的變形量(平面度)，反映應(yīng)力消除的效果，成品實(shí)物圖如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 7075鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件精加工后成品

表1 7075鋁合金薄壁件定位時(shí)效與不時(shí)效加工變形對(duì)比

變形量狀態(tài)未時(shí)效/mm模態(tài)寬頻時(shí)效/mm粗加工2.5～3.00.3～0.4半精加工2.4～3.00.2精加工變形量太大,無(wú)法完成加工0.3～0.7

在對(duì)比試驗(yàn)中，不時(shí)效的鋁合金毛坯在加工過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行模態(tài)寬頻時(shí)效，所以變形量有所增大，后又補(bǔ)充進(jìn)行試驗(yàn)，在加工過(guò)程中增加振動(dòng)消除應(yīng)力，經(jīng)加工后變形量為0.3～0.7 mm；因此，模態(tài)寬頻時(shí)效對(duì)殘余應(yīng)力的抑制與均化效果、以及對(duì)加工變形的控制作用明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)理論分析、工藝試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐，充分顯示了模態(tài)寬頻時(shí)效技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上可以替代常規(guī)的熱處理時(shí)效工藝。對(duì)于大型工件、高強(qiáng)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件，以及熱處理需要真空環(huán)境的鈦合金工件，優(yōu)勢(shì)尤為明顯，在航空、航天器結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)研制中具有很高的推廣價(jià)值。

[1] 楊永剛，曹瑜琦，趙瑞，等.頻譜諧波時(shí)效在旋挖鉆機(jī)桅桿上的應(yīng)用研究[J].新技術(shù)新工藝，2013(12):116-119.

責(zé)任編輯鄭練

TheApplicationResearchofModal&WidebandVSRTechnologybaseonFEA

ZHENG Xuan

(Beijing Semboo Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China)

With the method of FEA, the rules of residual stress in both rough and machined parts could be revealed, and the concentration of residual stress could be located. According to both material and structure of parts, and in order to obtain stable dimensions and long-life machined parts, it is possible to release residual stress with the VSR machine named “modal & wideband”.

FEA, modal & wideband VSR, residual stress

TH 16；TH 706

：A

鄭軒(1982-)，男，工程師，碩士，技術(shù)總監(jiān)，主要從事模態(tài)寬頻時(shí)效系統(tǒng)研發(fā)及其工藝、X射線衍射法殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用、機(jī)械加工變形及數(shù)值模擬計(jì)算等方面的研究。

2014-12-22