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开题报告定稿范文 沈阳航空航天大学硕士学位论文开题报告题目航空铝合金坯料的内应力及其控制方法研究院（部）航空航天工程学部学科、专业航空宇航制造工程导师王哲峰研究生胡耀阳学号xx06121开题报告日期 xx、 11、5研究生学院制11课题及研究的目的和意义本课题为自选课题。 尽管本课题以哈东轻所产的2024铝合金为研究对象，但相关模型、理论、措施和方法具有更为广泛的通用性。 1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl、AlCL3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。 这时的铝十分珍贵。 1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。 近一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品，其化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面也发挥着重要作用。 所有的有色金属及其合金与钢铁材料组成了国民经济所必须的全部金属材料。 铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一，它具有密度小、重量轻、比强度高、导电与导热性好且具有较好的耐蚀性。 随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车工业的发展；石油化工、电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起，铝合金的使用量在日益增加，因而在国民经济中占有重要的地位。 为了减轻结构重量，提高运载能力和速度，在航空、航海、高速列车等交通运输工业中大量采用铝合金构件，如飞机机身、机翼的蒙皮等。 随着汽车速度的提高，设法改进其设计，减轻自重，故发动机的壳体、活塞、工作缸与主缸、轮毂等采用铝合金制造。 摩托车与自行车行业也大量采用铝合金，如摩托车的减震器、上连板、起动杆、杠头，自行车的曲柄、链轮、轮毂等。 铝合金在其他行业如印刷机械、电力与电器设备、离心机与铁路机具等都获得了及其广泛地应用。 各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。 飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。 飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。 着重于经济效益的民用飞机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机，铝合金约占机体结构重量的81%。 军用飞机因要求有良好的作战性能而相对减少铝的用量，如最大飞行速度为马赫数2.5的F15高性能战斗机仅使用35.5%的铝合金。 有些铝合金有良好的低温性能，在183-253下不冷脆，可在液氢和液氮环境下工作，它与浓硝酸和偏二甲肼不起化学反应，具有良好的焊接性能，因而是制造液体火箭的好材料。 发射“阿波罗”号飞船的“土星”5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾端和仪器舱都用铝合金制造。 2024铝合金由于强度高、比重低、耐热性好等优点，主要用作飞机蒙皮、骨架、肋梁、隔框，卫星、火箭、宇宙飞船、导弹等航天器，以及高速列车、地下列车、城市轻轨列车、豪华汽车、船舶等交通运输工具等等要求承受高循环载荷的结构件上，已成为航空工业使用最为广泛的铝合金材料之一。 铝合金2024-T4为Al-Cu-Mg系硬铝型合金，可热处理强化，该合金的性能随热处理状态不同有较大差异，T4状态下具有较高的抗拉强度和韧性，其综合力学性能和高温抗蠕变性能优良，高温软化倾向小。 其化学成分和力学性能见表1和表22航空整体结构件通常采用高强度变形铝合金厚板直接铣削加工而成。 为获得理想的机械性能，铝合金预拉伸板必须经过轧制、固溶、拉伸、时效等一系列工艺流程，在这些过程中因存在不均匀的温度场和不均匀的弹塑性变形，板内产生了残余内应力。 在加工过程中，随着材料的不断去除，板内残余内应力释放与重分布，原来的应力自平衡状态遭到破坏，工件只有通过变形才能达到新的平衡状态。 已有研究表明毛坯初始残余内应力的释放和重新分布是引起航空整体结构件加工变形的重要原因之一。 在各种机械和机器的制造过程中，零件内部将产生内应力。 实际上，各种零部件加工时，构件其内部不产生内应力的情况是很少的。 即使不经过任何机械加工，坯料本身也是存在内应力的。 所产生的内应力状态，特别是其应力值的大小，是随各种加工方法或处理方法而有差别的。 机械加工如拉拔、挤压、轧制、矫正、切削、磨削、表面滚压、喷丸或锤击等，以及热加工的焊接、切割、铸造还包括淬火、回火之类的热处理等，都会产生各不相同的内应力。 加工时对内应力必须给予应有的重视。 例如经热处理和机械加工后零件尺寸大的变形、磨削时的开裂、应力腐蚀和铸造、焊接时的尺寸变化、开裂等都与加工过程和工件的各种弊病有关。 所以就要采用相应的措施如对内应力进行测定，并对其影响作出估计。 但由于工艺方法改善和材料获得改进，而使得观察不到这些弊病时，就降低了对内应力的注意，这就是尽管很早就开展了关于内应力的研究，但其进展一直不大的原因。 然而，内应力存在的重大意义就在于它对构件机械性能的影响和对它的利用。 实际上在机械的使用过程中，发生意外的破坏事故时，除材料本身的结构和强度之外，多数是由于内应力的影响造成的，特别是它对材料疲劳强度的影响就更为重要。 当内应力具有良好的应力分布时，效果极好。 例如，对经喷丸强化的部位施加交变应力时，因为此处已产生有效的残余压应力，从而减低了初始负载作用的平均应力。 最近为了有效的利用这种内应力，进行了越来越多的研究。 对固态变形体的受力、变形规律及回弹问题的理论和准则的研究，构成了材料学的重要内容，同时也是摆在航空工作者面前的亟待解决的重要基础性科研任务，对我国乃至世界航空工业的发展具有巨大意义。 2国内外在该方向的研究现状及分析2.1国内外研究现状目前为止，国内外有关2024铝合金的研究已有大量报道李晗等利用正交试验研究了热处理对2024铝合金薄板力学性能的影响，提出了2024-T62态较优的热处理工艺参数。 王轶农等研究了冷轧态2024铝合金的再结晶织构及晶界特征分布。 NING Ai-lin等研究了固溶后大冷变形对2024铝合金析出及性能的影响。 F.M.Khoshnaw等研究了时效温度和时间对2024铝合金剥落腐蚀性能的影响。 熊少敏等研究了2024铝合金中的沉淀相对其PLC效应的影响。 Jones，K等对2024铝合金的腐蚀疲劳及裂纹扩展行为进行了研究。 刘成、罗兵辉等就有关2024铝合金均匀化处理前后显微组织变化、成分变化和均匀化动力学有过报道。 欧美等发达国家对航空整体结构件的加工变形问题非常重视，美国的波音公司依托密西根大学等若干世界著名大学，在政府和军工企业集团的共同支持下，正在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参数优化理论和有限元模拟软件。 巴黎航空工业学院与法国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。 由于涉及保密问题，可查阅的关于整体结构件加工变形方面的文献资料较少。 2.2对本课题相关问题的分析3航空铝合金厚板在成形和热处理过程中，其内部不可避免地引入残余内应力。 有关研究表明铝合金在固溶化淬火处理时产生很大的残余内应力，甚至接近材料的屈服强度。 因此为了降低毛坯初始残余内应力的释放引起的加工变形，必须设法抑制与消除铝合金板材内部残余内应力。 采用抑制方法控制残余内应力，即借助数值模拟技术研究淬火工艺参数，从源头上尽量抑制淬火残余应力的产生。 然而，由于铝合金淬火残余应力很大，在实际操作中通过优化淬火工艺参数降低残余应力的效果有限，因此有必要进一步安排专门的消除淬火残余内应力的工艺，常用的有恒温时效法、机械拉伸法、深冷处理法、振动时效法、冷热循环法等方法，其中机械拉伸法、深冷处理法和振动时效法效果较理想。 机械拉伸法是将淬火后的铝合金板材，在规定的时间内，沿轧制方向进行拉伸，使拉伸应力与板内原来的淬火残余内应力叠加后发生塑性变形，使得残余应力得以缓和与释放。 研究表明预拉伸量的大小影响残余内应力的消除效果，最佳预拉伸量为2%3%，最高可消除90%以上的残余内应力。 深冷处理法是将含有残余应力的毛坯浸入液氮中深冷，待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射，通过急冷与急热产生方向相反的热应力来消除原来的残余内应力场。 在选择合适的工艺参数条件下，深冷处理法可降低20%84%的残余内应力。 振动时效法的工作原理是用一个或多个强力激振器，使工件产生一个或多个振动状态，从而产生如同机械加载时的弹性变形，使零件内部某些部位的残余内应力的降低与重新分布。 已有相关研究指出当铝合金在淬火后处于不稳定状态时（淬火后02个小时内）对其进行振动，效果最佳，残余内应力可降低50%70%；而若在淬火后放置360个小时后进行振动时效，残余内应力只能消除10%20%。 内应力的测定方法大致可分为机械测定法和物理测定法。 机械测定法的测量原理是将具有内应力的部分，用一定的方法进行局部的分离或分割，从而使内应力被局部释放，测定此时的变形情况，然后建立弹性力学相关的模型、理论，求出其值。 而物理法是采用X射线和磁性的方法等。 由于是利用晶体的X射线衍射现象和材料的磁性来求解内应力，所以此时不需将材料进行分离或分割，即可以直接求得内应力。 机械方法是以测定宏观内应力为对象的，而一般微观残余应力是用物理法，它既能测宏观内应力、又能测微观内应力。 3主要研究内容 （1）对试验数据采集过程进行优化升级，主要集中在用什么样的传感器，选择哪种电路连接方式，设计一种既能保证使用性能，又简单便宜的可移动式便捷工具，而不是之前人们用带有刻度的显微镜人工观察，以提高效率、精度，降低人为误差、成本。 （2）对于某种大型板料，结合击打的预拉伸，模拟在什么位置击打、使用多大的拉伸载荷与击打力。 表现为模拟得到的应变状况，分析之。 或者直接输出为内应力分布图。 看能否添加其他因素，运用正交试验法。 （3）数字模拟问题集中在如何得到合适的毛坯，在后续铣削过程中不变形，或者控制变形范围，比较复杂，跟解决铸造、锻压、轧制等过程中的热应力集中关系更为密切。 通过对局部加热进行的热应力释放需要进一步考虑，对同一机械试验手段用几组不同大小的载荷、加载方式、曲度、挠度等，模拟板料内部结构单元变化情况，探讨这些因素的优化组合。 该问题瓶颈毛坯件的真实性反映，或前人做过的试验数据。 （4）几种措施应该用局部加热方法比较经济、简单，就是用气焊加热材料表面使应力释放，因为其主要发生在表面。 其它措施在此不一一赘述。 44研究方案及进度安排，预期达到的目标4.1研究方案及进度安排xx.11-xx.1课题调研、方案设计、软硬件准备。 xx.1-xx.5做实验，处理数据。 xx.5-xx.8提出措施，实施，模拟对比。 xx.8-xx.11课题总结，编写论文。 xx.11-xx.1论文定稿，送交校内外专家审阅。 4.2预期目标对航空铝合金坯料的内应力有了详尽系统的认知，所提出的几种方法能有效的控制或者消除残余内应力。 发表2篇以上较高质量的科技论文。 5为完成课题已具备和所需的条件和经费相关硬件设施基本购置齐全，花费数千元，全部由课题组自己承担。 6预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施 (1)测试精度不够。 在实验设备的搭配、实验装置的设计制造及购买相关工具等问题上，课题组不辞辛苦，精益求精。 并采取大量试验取平均值的方法尽可能的减小人为误差，保证数据可靠性。 (2)知识欠缺严重。 课题组将在数字模拟过程中，有效查阅资料，充分利用图书馆资源，掌握该课题相关的有限元软件使用方法、正交试验法。 (3)经费压力巨大。 课题组自己垫付。 7主要参考文献1张新华,刘劲松等.某型火箭整体壁板增量压弯成形试验J.航空制造技术,xx, 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