殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題

殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題

經(jīng)常在各種科技期刊和殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)會(huì)議上,看到國(guó)內(nèi)殘余應(yīng)力研究者發(fā)表的論文,其中,殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果高度一致。作為國(guó)內(nèi)殘余應(yīng)力領(lǐng)域內(nèi)的資深專(zhuān)家,對(duì)此有不同的看法,因此特指出殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題。

 

殘余應(yīng)力測(cè)試儀之所以產(chǎn)生,從力學(xué)角度講,是由于材料加載(包括外力和溫度等因素)產(chǎn)生了塑性變形,卸載后,由于材料進(jìn)入塑性區(qū)而恢復(fù)不了原始狀態(tài),必然留下殘余的變形,這部分變形就產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。所以機(jī)械零部件和構(gòu)件在制造時(shí),各種加工工藝,比如,焊接、鍛壓、鑄造和各種熱處理工藝等,都會(huì)使材料進(jìn)入塑性變形區(qū),從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在實(shí)際生產(chǎn)中,上述加工工藝都會(huì)產(chǎn)生足以引起材料相變的高溫。因此,殘余應(yīng)力數(shù)值模擬在計(jì)算力學(xué)上是一個(gè)典型的熱力耦合問(wèn)題,即熱力學(xué)和力學(xué)的相互迭代非線性有限元計(jì)算。這就引

 

出了幾個(gè)不容易模擬的難題。

1、 熱力學(xué)邊界條件的熱交換問(wèn)題

在各種加工工藝中,比如,焊接、鍛壓、鑄造,特別是各種熱處理工藝,如何保證數(shù)值模擬時(shí)材料與周?chē)橘|(zhì)熱交換更逼近實(shí)際是不容易做到的,只能近似。最典型的是材料淬火的快速冷卻,更不容易做到。

2、 力學(xué)計(jì)算涉及的本構(gòu)關(guān)系問(wèn)題

要計(jì)算殘余應(yīng)力就必須知道材料的本構(gòu)關(guān)系,即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。然而,材料的彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系容易確定,但材料在上千度高溫時(shí),要精確確定它的熱塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就非常困難,且這種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是隨溫度變化的,要確定不同溫度下的熱塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就更難。

3、 材料金屬學(xué)的相變問(wèn)題

殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中,熱力耦合迭代,材料要經(jīng)過(guò)相變區(qū),材料中每一溫度每一部分要引進(jìn)多少相變變形,是個(gè)難題。

4、 熱力耦合非線性計(jì)算數(shù)學(xué)迭代問(wèn)題

這是高難度的有限元計(jì)算數(shù)學(xué)問(wèn)題,國(guó)外這個(gè)問(wèn)題研究成果顯著,已有靜力、動(dòng)力、流體、熱力學(xué)綜合分析軟件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等,通用材料熱處理、成型軟件DEFORM-HT,板料成型、鈑金成型、沖壓成型軟件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等,鑄造模擬軟件Procast、Magmasoft等,熱處理、焊接和焊接裝配軟件SYSWELD等。而國(guó)內(nèi)在這方面幾乎沒(méi)有什么高水平的軟件。

 

上述前3個(gè)難題決定了任何一個(gè)軟件對(duì)殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬只能是定性的而不能定量,因?yàn)椴钪晾?失之千里,熱力學(xué)邊界條件、材料本構(gòu)關(guān)系和相變變形與實(shí)際情況的不符不可能模擬出精確的殘余應(yīng)力值。但可以以殘余應(yīng)力測(cè)量值為參考,修正這3個(gè)難題中的計(jì)算參數(shù),直到模擬的殘余應(yīng)力數(shù)值接近測(cè)量值,以后就利用這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行某個(gè)方面特定的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬,而不是通用殘余應(yīng)力數(shù)值模擬,因?yàn)槊總€(gè)殘余應(yīng)力模擬問(wèn)題的參數(shù)是不同的。這是殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的人工強(qiáng)制一致,而不是國(guó)內(nèi)殘余應(yīng)力研究者發(fā)表的論文,不做任何修正,計(jì)算的殘余應(yīng)力結(jié)果和測(cè)量結(jié)果就高度一致。至于第4個(gè)難題,由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的原因,我國(guó)目前還沒(méi)有殘余應(yīng)力數(shù)值模擬方面的高水平軟件。而有些年輕的碩士、博士剛?cè)腴T(mén)編了一個(gè)熱處理或材料加工、成型方面的小程序,就炫耀效果如何如何,無(wú)知者無(wú)畏,如果那樣的話,國(guó)外的軟件就不會(huì)賣(mài)幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)了。

 

作者,趙懷普,國(guó)內(nèi)資深應(yīng)力測(cè)試儀專(zhuān)家,西安交通大學(xué)力學(xué)系畢業(yè),近三十來(lái),長(zhǎng)期從事實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析和有限元模擬計(jì)算工作,曾創(chuàng)新性地采用實(shí)驗(yàn)力學(xué)與計(jì)算力學(xué)相結(jié)合的方法,提出了新的三維殘余應(yīng)力測(cè)量方法,其論文在國(guó)際期刊《Strain》上發(fā)表。在科研成果中,成功地把環(huán)芯法殘余應(yīng)力測(cè)量方法引進(jìn)到我國(guó)重機(jī)行業(yè)中,因此獲黑龍江省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。