铝合金厚板深孔法应力测试及薄壁件形变分析-硕士生学位论文选题报告.doc

专业学位硕士生学位论文选题报告课 题 名 称 铝合金厚板深孔法应力测试及薄壁件形变分析 领 域 名 称 机械工程 研 究 方 向 机械设计及自动化 学 生 姓 名 刘义鹏 年 级 2014级 导 师 姓 名 廖凯 副教授 所 属 学 院 机电工程学院 论文工作的起 止 时 间2015年3月-2016年5月 填写日期: 2015 年 4 月 15 日 1、 课题的来源、研究的目的和意义（主要应用前景）、国内外研究现状及水平。1.课题来源1 参与国家自然科学基金项目：航空薄壁构件变形的数学预测模型构建及调控方法研究，课题编号：51475483，2015 年 1 月2018 年 12 月。2广西自然科学基金（青年基金）：高强铝合金厚板-薄壁构件内应力重构机理研究，课题编号： 2012GXNSFBA053150，2012年4月2015年4月。2.研究目的和意义铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低等一系列优点,在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业都有着广泛的应用前景及不可替代的地位,因而铝合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术12。在航空方面,铝合金是飞机机体结构的主要用材。我国自行设计研制的第二代战斗机机体结构用材铝合金占80%以上,在研的第三代战斗机机体结构用材仍在60%一70%。铝合金的发展与航空事业的发展是密不可分的。20世纪初在莱特兄弟制造的飞机上就采用了Al-Cu-Mn合金铸造的飞机发动机的曲柄箱体。1906年A.Wilm在AI-Cu-Mg系合金中发现时效硬化现象,使铝合金作为飞机主体结构材料成为可能,此后,铝合金作为飞机机体的主要结构材料登上历史舞台12。美国铝业公司(Alcoa)、加拿大铝业公司(Alcan) 和 Crous集团是世界供应铝材厚板的三大巨头，其中Alcoa所生产的厚板占世界份额的35%以上，是世界主要航空器生产制造商的供货者，其生产的厚板产品种类达到11000种规格，涉及110种合金产品，产品中厚度最大达到406mm，宽度达到5334mm34。与发达国家相比，我国的铝合金厚板生产，无论是从工艺、品质、产能、品种、规格和性能等各个方面比较，都有很大差距。现有国产高强铝合金的服役性能还不能满足当前和未来的需要，而大规格与变断面高性能铝材(如厚度为80-200(400)mm,宽1200(5000)mm厚板)又是航天航空、地面运载工具、核反应堆构件的必备材料，由于其制备难度大，国内技术还不成熟，因此对高性能大规格铝材及其整体构件的自主研发和生产是一项关系国家安全保障战略的工程56。3.国内外研究现状 残余应力是当没有外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。没有通过物体表面向物体内部传递应力时，物体内部保持平衡的应力系统，称为固有应力或初始应力。热应力和残余应力是固有应力的一种。固有应力也称为内应力。厚板在生产和制备过程中所经历的剧烈温度变化与形状变化，使得厚板内部形成了较高强度的残余应力。这种残余应力的形成主要归结于在高温冷却时，厚板内外、表里温度变化不一致，造成冷热收缩的不均匀，因而在材料内部形成了平衡收缩力的内应力78。1925年，格.马辛、Mura T、大卫金科夫H.H分别提出了残余应力的界定方法。根据残余应力的相互影响范围大小可将残余应力分为宏观残余应力和微观残余应力910。1973年德国学者E。Macherauch进而将宏观残余应力称为第一类残余应力，将微观残余应力划归为第二类、第三类残余应力。宏观残余应力是指作用于整个工件上的应力，其大小、方向和性质都可以依照宏观力学方法来分析，是众多晶粒间应力相互作用的平均应力。其作用和平衡范围较广，属于远程内应力，内应力的变化会导致材料的宏观变形。本文所涉及应力论述都属于第一类残余应力。残余应力的检测技术始于20世纪30年代，自20世纪50年代末到70年代初，随着微电子技术的发展和计算机的普遍应用，残余应力的检测技术取得了突破性的进展。测试仪器不断改进，试验方法逐步规范，测量数据的可性度大大提高。发展至今天共形成了数十种检测方法，目前传统残余应力的检测方法主要分为两大类。2.1机械法机械法有盲孔法、深孔法、层削法、裂纹柔度法等机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工件局部分离或者分割，从而会对工件造成一定的损坏或者破坏，但机械法理论完善，技术成熟，目前在现场测试中广泛应用，其中尤以浅盲孔法的破坏性最小。盲孔法是由Mather.J在1932年提出的，后由Soete发展完善而形成系统理论。该方法的基本思想是：在有一定初应力的构件表面钻一个直径2R（约2mm）、深度h（h2R）的小盲孔，于是在盲孔附近表面由于释放部分应力而产生的位移和应变。在实际测量时，首先在一定条件下做标定试验，得到初应力与应变的关系曲线，将标定结果代入应力-应变通孔Kirch关系式，对Kirch公式进行修正，得到该试验条件下的标定系数A、B，然后将待测工件在同一条件下进行盲孔试验，根据所测得的释放应变，代入经过修正的Kirch公式，即可得出工件中的残余应力值11。深孔法，Timoshenko, S. and Goodier, J. N. 在1951年 文献中描述了深孔法测试材料内部残余应力的原理和可能，后来经过 Granada-Garcia, A. A., George, D., and Smith, D. J.等学者的修正得到目前在应用的计算模型。随后有A.H.Mahmoudi等人使用深孔法技术测量了环形焊接圆盘的非轴对称应力，并与中子衍射作了对比，随后在深孔法的基础上作了进一步的改进使得测量残余应力的精度提高。Alexandros.Skouras,Martyn J.Pavier运用有限元仿真分析，研究确定深孔法选择的环切直径关系与深孔法技术精确度之间的关系，得出两个结论：一是，当环切直径增大时深孔法的误差会随之增大，另一个是深孔法的最大误差出现在最大应力处。深孔法目前仍在不断的发展和应用，由于有色金属内部应力强度普遍不如黑金属和焊接件应力高，存在着小孔变形测试难等问题，使得该方法的测试准确度还有待进一步提高。现在国内在这方面的研究报道很少，开展深孔法在这一领域的应力测试研究应用是一个新课题12131415。层削法和裂纹柔度法是目前除中子衍射技术外，应用最为普遍的内应力测试有损力学实验方法161718。前者在1931年F.Stablein和N.N.Dacidenkov就已经完成了对直梁内应力的层削法测定19，随后推导出应用与方板上的数学模型。而裂纹柔度法是一种较新研究应用的测试方法，1971年Aidyangthan等提出了基于断裂力学的残余应力计算理论，接着，学者结合有限元法简化了应力强度因子的计算，用常规方法检测残余应力，在1999年Michael B.Prime等202122利用有限元法计算裂纹柔度系数，推广了级数在计算模型中的应用。这两类方法的特点就是能比较整体的反映破坏层应力综合分布状况，只要实验过程科学规范，应力测试精度也高。应该注意，这两种方法都不能进行表面应力测试。 2.2物理检测法物理检测法主要有X射线法、中子衍射法、超声法、和磁测法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。X射线法是残余应力测定技术中无损检测方法之一，是研究得最为广泛、深入、成熟的应力测定方法，被广泛应用于科学研究和工业生产的各个领域之中。X射线衍射法的理论依据是布拉格定律。布拉格定律把宏观上可以准确测定的衍射角与材料中的晶面间距建立确定关系。X射线衍射法最早是由前苏联学者Akcehob在1929年提出的。X射线应力测定的最基本的思路是，认为一定应力状态引起的晶格应变和按弹性理论求出的宏观应变是一致的，而晶格应变可以通过布拉格方程由X射线衍射技术测出，这样就可以从测得的晶格应变来推知残余应力。1961年德国学者E.Macherauch提出sin2法，其逐渐成为X射线应力测定的标准方法2324。中子衍射方法是通过测量中子束的衰减而进行的无损检测方法，可以用来测量材料内部的三维残余应力，是一种重要的无损检测分析手段。其测定残余应力的原理与X射线衍射基本相同，但由于中子在材料的穿透深度较大，中子衍射作为有效的体探针和研究手段，具有较为独特的优势，可探测大块材料内部（厘米量级）的三维残余应力分布；而X射线衍射则主要用于薄膜或材料表面（界面）残余应力的测量。近几年，随着工程和材料科学应用需求的增加和人们认识的深入，越来越多的中子衍射实验室开始建立专门的中子衍射残余应力分析装置。另外，还有一些实验室将现有装置进一步改造为专门的应力装置，如德国HMI最近将其E3谱仪升级为“致力于残余应力的衍射仪”由此可见，目前中子衍射残余应力分析工作正在进入一个蓬勃发展的时期25。3. 薄壁整体结构件加工形变的研究现状在国外制造技术水平较高的国家,如美国、日本和西欧一些国家,铝合金、钛合金薄壁件的加工技术已积累一定的经验。高速/超高速切削技术己经逐步应用于航空航天制造领域。其不仅在机床、夹具、刀具及工件材料等方面具有一定的先进性;而且在薄壁件的数控加工技术研究方面也有较深的理论研究和实践积累。美国三波公司依托密西根大学等若干所著名大学,共同研究和开发能够有效抑制整体结构件数控加工变形的工艺路线优化理论和有限元模拟软件26。法国巴黎航空工业学院与国家宇航局针对航天飞行器整体结构件设计与制造问题,联合建立了专门的强度实验室,深入研究加工变形的工艺控制和安全校正等问题27。对于具体的薄壁结构零件的加工,为了解决单一主轴加工零件的变形问题,日本的岩部洋育等人提出了平行双主轴加工方案,利用工件两侧受力为对称力,除了微量的刀具变形引起的加工误差以外,工件的加工倾斜变形基本上可以消除,有效的解决单一主轴加工零件的变形问题28。Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的切削加工方案,有效控制了零件的加工变形,同时提高了生产率29。Tlusty等人在研究动态铣削的基础上,还提出利用合理的大长径比刀具,可以有效地解决较深的型腔和侧壁的铣削加工问题,以获得较大的金属切除率和较高的表面完整性30。日本的Haruki等人提出了将低熔点合金注入薄壁结构型腔,从而大大提高工件的刚度,有效地解决薄壁结构零件的加工变形问题,具有很高的加工精度31。Kline等人研究了三边夹紧固定,一边自由边界条件下的矩形薄壁板的铣削变形问题,并进行理论建模,模型特点在于同时将刀具与工件变形进行考虑,且因工件夹持刚度较大,忽略了刀具与工件变形的耦合效应32。英国学者Ratchev对于薄壁结构零件的铣削加工精度和误差进行了大量研究。在铣削过程中,由于在不同位置时,加工条件不断变化,切削力的大小和方向也随时变化,Ratchev使用有限元软件模拟和理论分析,提出了加工精度的预测和误差补偿方法,并通过试验进行了验证33343536。国内有关航空航天整体结构件的加工变形预测及控制方面的研究主要集中在南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、浙江大学和山东大学等院校。浙江大学的董辉跃、柯映林等人综合考虑了薄壁件粗精加工工序,建立了薄壁件铣削加工全过程三维有限元模型,研究了残余应力施加、切削力建模及动态加载、材料去除等加工过程建模所涉及的关键技术3738。南京航空航天大学的武凯、何宁等人采用数值模拟技术研究了框体结构零件的腹板、侧壁加工变形规律及其变形控制方案,提出了大切深法和分布环切法可以充分利用薄壁件自身刚性以减小加工变形,提高加工精度39404142。北京航空航天大学的梅中义、王运巧等人研究了飞机弧形薄壁件的数控加工变形情况,并分析了数控加工过程中的切削力、残余应力和装夹布局对加工变形的影响,并提出了相应的解决方案434445。西北工业大学的万敏、张卫红等人利用工件的原始有限元网格模型,针对薄壁件铣削过程加工误差预测,建立了一种快速有效的材料去除仿真模型464748。山东大学的唐志涛、刘战强等人基于有限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公式建立了热弹塑性本构方程,导出了热弹塑性大变形祸合控制方程,并建立了正交切削加工铝合金7075一T7451有限元模型,对切屑形态、切削力、切削温度以及应力场和应变场等物理量的分布进行了有效预测4950。参考文献1 HeinzA,etal. Recent development in aluminum alloys for aerospace applications.Mater Sei Eng,2000,A280:1022 Staley jamesT,Liu john,Hunt Warren H Jr.Aluminum alloys for aerostructures.Ady Mater Proe.1997,10:173 江志邦,宋殿臣,关云华.世界先进的航空用铝合金厚板生产技术.轻合金加工技术,2005,33(4):l-7.4 王祝堂.铝合金厚板供不应求.中国有色金属报,2007,2(6):1-2.5 林高用.高性能7075系铝合金厚板加工技术相关基础研究:博士学位论文1.长沙:中南大学,2006.6 刘少洲,刘静安.现代铝合金管棒型线材生产技术与装备发展概况.四川有色金属,2007,2(6):10-15.基础。北京：冶金工业出版社，19887 程晓宇，王晓梅.残余应力8 杨觉先.金属塑性变形物理的本质及其调整。腐蚀研究。2009，23（7）：33-359 张定铨，何家文.材料中残余应力的X射线衍射分析和作用。西安：西安交通大学出版社，1999.10 袁发荣.残余应力测试与计算。长沙：湖南大学出版社，1987.11 陶文哲.残余应力测量技术及在凸膜中的应用J.舰船科学技术，2002，24（4）：57-60.12 Granada-Garcia, A. A., George, D., and Smith, D. J., “Assessment of Distortions in the Deep Hole Technique for Measuring Residual Stresses,” in Proceedings of the 11th Exp Mech Conf, Oxford, Aug,1998, pp. 13011306.13 Mahmoudi, A. H., Truman, C. E., Smith, D. J., Pavier, M. J. (2011) The Effect of Plasticity on the Ability of the Deep Hole Drilling Technique to Measure Residual Stress, International Journal of Mechanical Sciences, 53: 978988.14 Mahmoudi, A. H., Hossain, S., Truman, C. E., Smith, D. J., Pavier, M. J. (2009) “A New Procedure to Measure Near Yield Residual Stresses Using the Deep Hole Drilling Technique.” Experimental Mechanics,49(4): 595604.15 Alexandros. Skouras, Martyn J. Pavier, Anton. Shterenlikht(2010)“A Spatial Resolution Of Residual Stress Measurements Using The Deep Hole Drilling Technique”16 陈超，潘春旭.残余应力测量技术的现状与发展.十堰：湖北省第九界热处理年会。2004，917 唐志涛，刘战强，艾兴，等.基于裂纹柔度法的铝合金预拉伸板内部残余应力测试.中国有色金属学报.2007，17（9）：1404-1409.18 田石柱，李凤臣.梁板类构件焊接残余应力测试的试验方法研究.哈尔滨工业大学学报，2009，30（5）：501-507.19 米谷茂.残余应力的产生和对策.北京：机械工业出版社，1983.20 M.B Prime.Experimental procedure for crack compliance(slitting) measurements of residual stress./residual/.21 M.B Prime,Michael R.Hill.Uncertainty analysis,Model Error,and Order Selection for Series-Expanded,Residual-Stress Inverse SolutionsJ.Journal of Engineering Materials and Technology.11(2006):175-185.22 张旦闻，刘宏昭，刘平。裂纹柔度法在7075铝合金板残余应力检测中的应用.材料热处理学报，2006（4）：126-131.23 徐虹，滕宏春，崔波，等.残余应力非破坏性测量技术的发展现状简介J.理化检验：物理分册，2003，39（11）：595-598.24 陈玉安.铍材X射线残余应力无损测定原理和方法D.重庆：重庆大学，2002.25 孙光爱，陈波.中子衍射残余应力分析技术及其应用J.核技术，2007，30（4）：286-28926 黄志刚.航空整体结构件铣削加工变形的有限元模拟理论及方法研究D.杭州:浙江大学博士学位论文,2003.27 王立涛.基于铣削力要素的航空结构件加工变形机理研究及有限元模拟D.杭州:浙江大学博士学位论文,2002.28 Hiroyasu IWABE. High accurate machining of thin wall shape workpiece end millC.日本机械学会论文集,1997,63:605-610.29 J.Tlusty,5.Smith,J.Bsdrawy.Design of a high speed machine for aluminum aircraft PartsJ.Manufacturing Science andTechnology.1997,2:253-259.30 J.Tlusty,S.Smith,W.R .Winfough.Teehoiques for the use of long slender end mills in highspeed millingJ.Annals of the CIRP,1996,45(l):393-39631 赵威,何宁,李亮.薄壁结构的高效铣削加工J.航空精密制造技术.2002,38(6):12一15.32 W.A.Kline,R.E.Devor, The Prediction of surface accuracy in end millingJ. ASME Journal of Engineering for Industry.1982,104(3):272-278.33 S.Ratehev,5.Liu,W.Huang,et al. An advanced FEA based force induced error compensation strategy in millingJ.International Journal of Machine Tools and Manufacture.2006,46(5):542-551.34 S.Ratehev,5.Liu A.A.Beeker. Error compensation strategy in milling flexible thin-wallpartsJ.Journal of Materials Processing Teehnology.2005,162-163(15):673-68135 S.Ratehev,K.Phuah,G.Lammel, et al.An experimental investigation of fixture-workpieceContact behaviour for the dynamic simulation of complex fixtureworkpiece systemsJI .Journal of Materials proeessing Teehnology.2005,164一165(15):1597-1606.36 S.Ratehev,5.Liu,W.Huang.Milling error prediction and compensation in machining ofLow-rigidity partsJ.International Journal of Machine Tools and Manufaeture.2004,44(15):1629-164137 毕运波,董辉跃,柯映林.航空铝合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析J.浙江人学学报工学版)、2008,42(3):397-402.38 成群林,董辉跃,柯映林,等.航空整体结构件铣削加工变形预测研究J.浙江大学学报(工学版).2007,41(5):799-803.39 武凯,何宁,廖文和,等.薄壁腹板加工变形规律及其变形控制方案的研究J.中国机械工程.2004,15(8):670-674.40 武凯,何宁,廖文和,等.基于变形控制的薄壁结构件高速铣削参数选抒J.机械科学与技术.2005,24(7):755-791.41 武凯,何宁,廖文和,等.阶梯对称铣削工艺在薄壁件精密加工中的应用J.航空精密制造技术.2005,41(5):37-39.42 武凯,何宁,廖文和,等.基于薄壁件变形分析的铣削加工瞬态力学模型研究J.应用科学学报.2005,23(6):631-634.43 梅中义,王运巧,范玉青.飞机结构件数控加工变形控制研究与仿真J.航空学报.2005,26(2