环形件残余应力测试与数值模拟

朱兴林，苏 光，马秉馨，牛关梅

环形件残余应力测试与数值模拟

朱兴林1,2，苏 光1,2，马秉馨1,2，牛关梅3

（1.河南工学院 材料科学与工程学院，河南 新乡 453003；2.河南省金属材料改性技术工程技术研究中心，河南 新乡 453003；3.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

针对薄壁类零件受残余应力影响而产生变形开裂，且残余应力研究手段少、实验研究费用高等突出问题，基于Abaqus平台建立了GH4169、TC4环件在冷却过程中残余应力场的有限元模型，分析了环件冷却过程中残余应力场的分布规律；通过对比，模拟数据与残余应力实测数据分布规律一致，且误差均小于30MPa。结果表明，所建立的应力场预测模型能够有效可靠地预测残余应力场的水平及分布状态。

残余应力；数值模拟；应力测试；环形件

在金属铸造、锻造、冲压、挤压、焊接、热处理及各类切削加工过程中，工件均会由于受外力和温度的影响而产生残余应力。残余应力在成形过程的各个环节中产生、叠加及释放，会导致工件内应力的重新分布，从而影响工件的形位精度和尺寸稳定性，以及工件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力和裂纹抗性等，最终影响工件的使用性能和使用寿命[1-3]。因此，研究工件在成形过程中残余应力的产生机理、演化规律，并探索有效的残余应力测试方法以及残余应力控制技术，对于发展关键零部件近净成形技术，具有重要的理论和实践意义。

薄壁类零件，如空心传动轴、环形零件、汽车覆盖件等，壁薄易变形，在其热处理、热成形、机加工过程中往往又存在非常大的残余应力场[4, 5]。为了达到内力平衡，残余应力发生松弛与再分布而导致构件变形，破坏薄壁件的尺寸稳定性，这也是金属制造领域亟待解决的关键问题[6]。目前国内对残余应力精度、可靠性、稳定性的研究需要大力推进，多因素作用下多场耦合的加工变形的基础理论也尚待建立。此外，应力测试与控制技术均面临诸多亟待解决的问题，如：测试误差如何修正，测试稳定性如何保证，不同几何类型的试样应该采用何种测试方法等[7-9]。在残余应力预测方面，受限于计算机和有限元软件的计算能力，如何建立更加精确可靠的残余应力场预测模型用于研究应力变形和失效，是热加工领域残余应力研究的重要内容[10, 11]。

本文选取GH4169和TC4合金环件，对其在冷却过程中的残余应力场进行测试研究和数值模拟分析。结合薄壁类环形件冷却过程中温度变化特点，基于有限元软件Abaqus建立环件冷却过程的热弹塑性模型，分析环件冷却过程中的应力变形及热残余应力场的分布规律。通过对比残余应力测试结果，探究有限元模型在残余应力预测上应用的可行性。

1 残余应力的有限元模型

残余应力场的预测是涉及热力学、相变动力学及弹塑性力学的复杂问题，难变形材料及其构件热处理时的温度场与应力场在空间与时间上均呈现非线性，因而难以用数学解析方法进行求解。而数值解法中的有限元法能方便地处理任意复杂的形状与边界，亦可达到较高的精度，且现已有比较成熟的有限元分析平台，故文中采用有限元法来建立残余应力场的预测模型。

1.1 数学描述

本文针对GH4169和TC4合金环件冷却过程中的残余应力场进行预测研究，涉及的温度场应满足瞬态非线性热传导方程：

初始温度边界为：

同时，为简化计算机编程，传热边界条件采用下式：

1.2 残余应力预测模型的建立

三种冷却条件为：GH4169空冷环件初始温度为975°，介质温度为25°；GH4169水冷环件初始温度为975°，介质温度为25°；TC4空冷环件初始温度为900°，介质温度为25°。环件尺寸均为：Ф100×Ф60×20（单位：mm）。

表1 GH4169合金的热物性参数

表2 TC4合金的热物性参数

本文建立全尺寸环件模型，如图1所示。为了简化计算模型，作了如下假设：（1）材料为各向同性的连续固体介质，具有等向硬化的弹塑性；（2）冷却介质温度是恒定的；（3）冷却过程中忽略不计组织应力与温度间的关系，即相变潜热为0；（4）在冷却处理前进行了回炉处理，内部无残余应力；（5）工件表面与冷却介质完全接触且各处换热系数完全相同。

有限元网格类型为C3D8T，单元数为12400，节点数为15004，模拟分析步类型为温度-位移耦合分析。

图1 环件冷却过程有限元模型

2 结果与分析

2.1 环件冷却过程中的变形分析

图2所示为GH4169空冷环件、水冷环件和TC4空冷环件冷却前后环件放大10倍后的变形位移云图。由于热胀冷缩的原因，冷却过程中环件尺寸收缩变小。由于冷却方式和材料的不同，所以三个相同尺寸环件收缩的程度也不相同。从图中可以看出，GH4169水冷环件的位移最大，TC4空冷环件的位移最小。GH4169空冷环件、水冷环件和TC4空冷环件最大、最小位移值如表3所示。

表3 环件位移数值及位置

2.2 环件冷却后的应力场

图3所示为三个环件冷却到室温后的Mises应力场分布。从图中可以看出，GH4169环件水冷降温速度最快，其应力数值也最大，而TC4环件空冷降温速度最慢，其应力数值也最小。分布规律均为表层残余压应力，心部呈残余拉应力。

图3 冷却结束后环件的Mises应力场

2.3 数值模拟与实验结果的对比分析

为验证残余应力预测模型的准确性，采用盲孔法对GH4169、TC4环件层深2.5mm处径向、环向残余应力进行测试，测试设备为Sigmar公司的ASMB2-8残余应力测试仪。测试点共八个，其中，A1点设为0°，A2为-45°，A3为-90°，A4为-135°，A5为-180°，A6为-225°，A7为-270°，A8为-315°，其分布如图4所示。采用电火花打孔，设备为AQ55L电火花成型机。打孔直径为2mm，深度为2.5mm。电火花打孔参数为：GH4169，脉宽=35μs，脉间=45μs，电流=5A，电极为铜棒，极性为正；TC4，脉宽=25μs，脉间=75μs，电流=5A，电极为钼棒，极性为负。

图4 合金环件及测试点分布图

图5 不同冷速下GH4169合金环件距表面深2.5mm处残余应力分布图

图6 同冷速下GH4169、TC4合金环件距表面深2.5mm处残余应力分布图

对比三个环件不同热处理制度下有限元模拟结果和盲孔法实测结果，如表4所示。从表中数据可知：实验测试的平均值与模拟数据有很好的一致性，差值均在30MPa之内。

表4 模拟结果与实验结果对比

3 结论

基于Abaqus平台建立了GH4169、TC4环件在冷却过程中的残余应力场有限元模型，分析了环件冷却过程中的变形及残余应力场的分布规律。水冷冷却速度快，对工件造成更大的温度梯度，从而形成了较大的残余应力；同时，相同加工工艺及冷却速度下，TC4环件内部残余应力绝对值明显低于GH4169环件的残余应力。另外，通过与残余应力实验测试的对比发现，实验测试的平均值与模拟数据有很好的一致性，差值均在30MPa之内。结果表明本文所建立的应力场预测模型，能够有效预测残余应力的水平及分布状态，为金属材料热加工残余应力的研究提供了一种可靠、高效的研究手段。

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TG115.5

A

2096–7772(2020)01–0015–05

2019-12-24

河南省科技攻关项目（182102210259）

朱兴林（1985―），男，河南新乡人，讲师，博士，主要从事宇航难变形材料精密塑性成形原理与技术研究。

（责任编辑吕春红）