铝合金厚板淬火过程及预拉伸热—力仿真与实验研究

论文摘要

高强高韧、低残余应力的7075铝合金预拉伸板是现代航空、武器装备工业必不可少的关键材料。这种合金经过固溶热处理、淬火及后续的时效强化后大大提高了其强度。然而快速冷却虽然保证了合金良好的力学性能,但温度梯度会造成很高的残余应力,降低冷却速度会减小残余应力,但也降低了其力学性能。因此,在保证铝合金厚板的力学性能的同时,又能大幅度的减少淬火残余应力成为其研制过程中一个亟待解决的问题。预拉伸是一种消除淬火残余应力最简单有效的方法之一,即在淬火时效前给予厚板1.0%—3.0%的总伸长量。学位论文的主要研究内容为:(1)根据传热学基本微分方程,建立大型铝板一维热传导的数学模型,利用MATLAB软件编制了求解换热系数的程序,并把所求解的换热系数作为温度场仿真中的对流换热边界条件。(2)借助有限元分析软件MSC.Marc,建立了7075铝合金厚板的温度场、内应力场、以及预拉伸的计算机模型,模拟过程考虑了材料特性随温度变化的影响。(3)用有限元的方法,探明了预拉伸对消除7075高强度铝合金厚板淬火残余应力的作用规律。对不同的拉伸工艺进行了分析并计算了不同初始条件下的残余应力消减率。预拉伸不仅可以消除轧制方向的残余应力,而且可使横向方向的残余应力也有较大幅度降低。(4)对预拉伸板的等效应变分布云图的分析表明:7075铝合金预拉伸板远离钳口区塑性应变分布均匀(约等于各个拉伸量),靠近钳口区应变分布不均并且变化剧烈。根据塑性应变分布云图可以很容易确定应变大于3.0%的区域,这为预拉伸板的锯切提供了依据,并计算了工业应用大尺寸铝合金厚板某些夹具失效时的锯切率。(5)为了验证仿真结果,建立铝合金厚板淬火试验平台和预拉伸试验平台,采用裂纹柔度法分别测得铝合金厚板拉伸前和拉伸后的残余应力,通过对比分析,两者取得较好的一致性。以上研究内容、方法与结论对完善和控制大型铝材预拉伸工艺的研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 铝合金厚板预拉伸工艺的国内外研究现状
• 1.2.1 铝合金厚板预拉伸工艺的国外研究现状
• 1.2.2 铝合金厚板预拉伸工艺的国内研究现状
• 1.3 铝合金厚板预拉伸的数值模拟技术
• 1.3.1 有限元分析方法在金属塑性研究中的应用
• 1.3.2 铝合金厚板预拉伸数值模拟技术现状
• 1.3.3 拉伸法消除残余应力的研究现状
• 1.4 课题研究内容、方法与路线
• 1.4.1 课题研究内容
• 1.4.2 课题研究路线与方法
• 第二章 铝合金厚板淬火过程有限元建模
• 2.1 铝合金厚板残余应力分析
• 2.1.1 残余应力的形成分析
• 2.1.2 残余应力对材料性能的影响
• 2.1.3 残余应力的测试与评估技术
• 2.1.4 铝合金厚板淬火后的残余应力场
• 2.2 铝合金厚板淬火过程有限元建模
• 2.2.1 铝合金厚板淬火过程温度场形成机制
• 2.2.2 铝合金厚板淬火过程热应力场形成机制
• 2.2.3 铝合金厚板淬火过程中的热弹塑性问题
• 2.2.4 铝合金厚板淬火过程计算模型的建立
• 2.2.5 计算框图
• 2.2.6 铝合金厚板淬火过程的有限元模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 铝合金厚板淬火过程换热系数的数值反求法及验证
• 3.1 淬火冷却过程中的表面换热系数
• 3.1.1 换热系数的概念及其影响因素
• 3.1.2 反问题的工程应用、分类和理论背景
• 3.1.3 淬火过程热传导数学模型的建立
• 3.1.4 换热系数的数值反求法
• 3.2 温度场与应力场仿真结果分析
• 3.2.1 换热系数的求解与验证
• 3.2.2 应力场仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 铝合金厚板预拉伸机理及有限元建模
• 4.1 拉伸法消除残余应力的机理
• 4.2 铝合金厚板预拉伸的演变规律
• 4.3 铝合金厚板预拉伸过程的有限元建模
• 4.3.1 预拉伸有限元数值模拟计算模型的建立
• 4.3.2 拉伸法消除铝合金厚板淬火残余应力的力学模型
• 4.3.3 预拉伸板弹塑性有限元法的理论基础
• 4.3.4 预拉伸计算模型的建立
• 4.3.5 铝合金厚板预拉伸过程的有限元模型
• 4.4 有限元模型的命令流
• 4.5 本章小结
• 第五章 铝合金厚板预拉伸过程的仿真结果分析
• 5.1 不同的拉伸速度对削减淬火残余应力的影响研究
• 5.2 不同的拉伸量对削减淬火残余应力的影响研究
• 5.3 钳口夹持区域的锯切准则和预拉伸变形的不均匀性
• 5.4 单个夹具铝厚板的锯切率
• 5.5 多夹具大规格铝厚板的锯切率
• 5.6 轧向和横向残余应力的削减情况
• 5.7 本章小结
• 第六章 铝合金厚板淬火过程与预拉伸实验验证
• 6.1 实验材料及方法
• 6.1.1 裂纹柔度法计算模型的建模
• 6.1.2 实验取样
• 6.1.3 实验方法
• 6.2 实验结果及其分析
• 6.2.1 铝合金厚板的淬火残余应力场
• 6.2.2 预拉伸板的残余应力场
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果