一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，包括以下步驟：(1)材料試驗機上進(jìn)行鈦合金材料熱應(yīng)力松弛試驗；(2)繪制鈦合金應(yīng)力松弛曲線，進(jìn)行曲線特征分析；(3)依據(jù)應(yīng)力松弛的本質(zhì)是蠕變原理，選擇合適的蠕變型本構(gòu)函數(shù)，采用試錯法確定鈦合金的材料參數(shù)；(4)基于有限元軟件ABAQUS，將步驟(3)確定的材料參數(shù)代入蠕變分析模塊，采用靜力隱式算法，進(jìn)行工件蠕變松弛分析；(5)將蠕變松弛數(shù)據(jù)作為卸載回彈的初始狀態(tài)，進(jìn)行工件回彈分析，確定蠕變回彈后的回彈大小。分析結(jié)果表明，鈦合金經(jīng)過應(yīng)力松弛后，零件回彈大大減小，成形精度提高。選擇合理松弛時間，就可實現(xiàn)鈦合金零件的精確成形。
【專利說明】一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，具體而言，涉及鈦合金材料的應(yīng)力松弛試驗，材料本構(gòu)建模，工程數(shù)值分析及回彈計算，屬于材料熱加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金材料具有高比強度、低密度、高強度、耐高溫、耐腐蝕、與復(fù)合材料無電偶腐蝕等諸多優(yōu)點，因此在航空航天工業(yè)得到日益廣泛的使用。但是由于鈦合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，室溫下塑性成形性能很差，難以通過冷成形方法加工，從而大大限制了其在結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。對此，鈦合金大都采用熱成形方法加工制造。鈦合金在熱加工時，具有優(yōu)良的蠕變松弛性能，容易實現(xiàn)零件精確成形；同時，鈦合金材質(zhì)飛行器、儀器在高溫服役時，容易產(chǎn)生發(fā)生蠕變松弛，因此迫切需要對鈦合金等材料的蠕變松弛進(jìn)行建模計算和回彈分析，進(jìn)而減少鈦合金的設(shè)計、制造成本。但是，鈦合金材料應(yīng)力松弛具有時間相關(guān)、瞬時微變、高度非線性等特點，導(dǎo)致蠕變、應(yīng)力松弛異常復(fù)雜。因此，對蠕變松弛的研究變得非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了建立一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，并將其應(yīng)用推廣至工程化。
[0004]本發(fā)明建立一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，通過應(yīng)力松弛試驗、本構(gòu)建模、參數(shù)識別、擬合仿真、回彈計算等工程方法，快速確定鈦合金應(yīng)力松弛的材料參數(shù)，從而建立鈦合金材料的蠕變松弛本構(gòu)關(guān)系，采用有限元仿真方法對蠕變松弛過程進(jìn)行應(yīng)力、回彈預(yù)測，減小鈦合金零件的設(shè)計、制造和最終成本；同時也為鈦合金零件工程服役中的蠕變松弛提供一種研究方法。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006](I)參照GB/T10120-1996金屬應(yīng)力松弛試驗方法，將鈦合金材料制成圓棒形、板材或其他形狀試樣，在材料試驗機上進(jìn)行鈦合金材料應(yīng)力松弛試驗；
[0007](2)依據(jù)步驟(I)得到的鈦合金材料的應(yīng)力松弛試驗數(shù)據(jù)，繪制鈦合金應(yīng)力松弛曲線，進(jìn)行曲線特征分析；
[0008](3)依據(jù)應(yīng)力松弛的本質(zhì)是蠕變原理，選擇合適的蠕變型本構(gòu)函數(shù)，采用試錯法確定擬合鈦合金的材料參數(shù)；
[0009](4)將步驟(3)確定的材料參數(shù)，帶入步驟(3)選擇的本構(gòu)函數(shù)，確定材料的本構(gòu)方程；然后基于有限元軟件ABAQUS對分析模型進(jìn)行建模，將步驟(3)的本構(gòu)方程參數(shù)輸入分析模型，采用靜力隱式算法，進(jìn)行工件蠕變松弛分析；
[0010](5)分析應(yīng)力松弛應(yīng)力變化情況與實際工程的符合程度；接著，基于分析結(jié)果，將松弛結(jié)束時的應(yīng)力數(shù)據(jù)作為卸載回彈的初始狀態(tài)，采用靜力隱式算法，進(jìn)行工件的卸載回彈分析；然后，根據(jù)回彈量，計算回彈角大小；最后，數(shù)值分析結(jié)果表明，選擇合理的松弛時間，鈦合金經(jīng)過蠕變松弛后，零件回彈大大減小，成形精度提高，實現(xiàn)鈦合金零件精確成形。[0011 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法的優(yōu)點在于:采用了金屬材料本構(gòu)建模的思想，對鈦合金材料模型化，采用本構(gòu)建模、參數(shù)識別、參數(shù)擬合、數(shù)值仿真、回彈計算等方法，快速確定鈦合金材料的參數(shù)，建立鈦合金材料高溫蠕變本構(gòu)模型，進(jìn)行有限元仿真計算，最夠根據(jù)松弛結(jié)束時的應(yīng)力條件，采用靜力隱式算法，進(jìn)行回彈分析計算。該工程方法具有快速化、低成本、簡便易行、計算準(zhǔn)確的特點。
[0012]下面選擇TC4鈦合金板材為例，說明本發(fā)明的具體實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法的流程圖；
[0014]圖2TC4鈦合金應(yīng)力松弛特性與溫度的關(guān)系；
[0015]圖3不同溫度TC4合金的蠕變應(yīng)變速率-應(yīng)力關(guān)系曲線；
[0016]圖4等曲率模具蒙皮有限元分析模型；
[0017]圖5分析模型有限元網(wǎng)格劃分；
[0018]圖6TC4鈦板700°C熱拉伸數(shù)值模擬等效應(yīng)力分布；
[0019]圖7TC4工件700°C蠕變過程應(yīng)力變化與應(yīng)力松弛試驗對比；
[0020]圖8TC4鈦板700°C蠕變成形結(jié)束時等效應(yīng)力分布；
[0021]圖9TC4鈦板700°C蠕變卸載后等效應(yīng)力分布；
[0022]圖10TC4鈦板蠕變卸載后回彈位移分布(700°C )。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖1-10和具體實例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明提供了一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其流程如圖1所示。本發(fā)明步驟如下:
[0025]步驟1、選擇TC4鈦合金材料，料厚為1.5mm。參照GB/T10120-1996金屬應(yīng)力松弛試驗方法，將鈦合金材料制成圓棒形、板材或其他形狀試樣。在材料試驗機上進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速度控制為5mm/min。預(yù)拉伸量為4%時進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗,記錄試驗數(shù)據(jù)。
[0026]步驟2、借助繪圖軟件Origin，根據(jù)應(yīng)力松弛試驗數(shù)據(jù)繪制TC4鈦合金的應(yīng)力松弛曲線，見圖2，其中，橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示瞬時工程應(yīng)力。
[0027]分析圖2，可以看出，溫度對TC4鈦合金的應(yīng)力松弛效應(yīng)最為顯著，它是控制應(yīng)力松弛的最關(guān)鍵因素。溫度越高，應(yīng)力松弛速度越快，應(yīng)力松弛極限越低。如圖2所示，溫度越高，應(yīng)力松弛試驗曲線越低。
[0028]步驟3、應(yīng)力松弛是蠕變引起的，應(yīng)力松弛的本質(zhì)是一種特殊形式的蠕變。有限元軟件中，只有蠕變形式的數(shù)值模擬，沒有直接的應(yīng)力松弛數(shù)值模擬，因此，對應(yīng)力松弛的數(shù)值模擬可以轉(zhuǎn)化為蠕變進(jìn)行數(shù)值模擬。因此，需要將應(yīng)力松弛曲線轉(zhuǎn)變成蠕變曲線。具體如下:
[0029]蠕變應(yīng)變速率是材料應(yīng)力松弛過程中的一個非常重要的物理量，它與應(yīng)力的關(guān)系是材料應(yīng)力松弛中的最基本的關(guān)系式，是利用有限元軟件模擬材料蠕變成形過程的基礎(chǔ)。
[0030]在整個應(yīng)力松弛過程中，存在如下關(guān)系:[0031]ε t= ε e+ ε c (I)式中，ε t為總應(yīng)變；ε e為彈性應(yīng)變；ε。為蠕變應(yīng)變。應(yīng)力松弛過程中，總應(yīng)變保持不變，彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為蠕變應(yīng)變，則:
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)參照GB/T10120-1996金屬應(yīng)力松弛試驗方法，將鈦合金材料制成圓棒形、板材或其他形狀試樣，在材料試驗機上進(jìn)行鈦合金材料應(yīng)力松弛試驗； (2)依據(jù)步驟(1)得到的鈦合金材料的應(yīng)力松弛試驗數(shù)據(jù)，繪制鈦合金應(yīng)力松弛曲線，進(jìn)行曲線特征分析； (3)依據(jù)應(yīng)力松弛的本質(zhì)是蠕變原理，選擇合適的蠕變型本構(gòu)方程，采用試錯法擬合確定鈦合金的材料參數(shù)； (4)將步驟(3)確定的材料參數(shù)，帶入步驟(3)選擇的本構(gòu)函數(shù)；然后基于有限元軟件ABAQUS對分析模型進(jìn)行建模，將步驟(3)的本構(gòu)方程參數(shù)輸入分析模型，采用靜力隱式算法，進(jìn)行工件蠕變松弛分析； (5)分析應(yīng)力松弛應(yīng)力變化情況與實際工程的符合程度；接著，基于分析結(jié)果，將松弛結(jié)束時數(shù)據(jù)作為卸載回彈的初始狀態(tài)，采用靜力隱式算法，進(jìn)行工件卸載回彈分析；然后，根據(jù)回彈量，計算回彈角大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于所述鈦合金材料是所有鈦合金家族的材料，也包括其它具有顯著蠕變松弛性能的金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于所述步驟⑶選擇的本構(gòu)方程是時間硬化模型之、應(yīng)變硬化模型^(々”[(所+丨^^廣或雙曲正弦型螺變本構(gòu)模型^^雄礎(chǔ)則”哪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于所述步驟(3)選擇的本構(gòu)方程是基于應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)二次開發(fā)的宏觀、宏細(xì)觀耦合本構(gòu)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于所述步驟(3)使用的“試錯法”，需要根據(jù)一定的經(jīng)驗、規(guī)律進(jìn)行試錯，進(jìn)而迅速確定材料參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金應(yīng)力松弛數(shù)值及回彈計算方法，其特征在于所述鈦合金材料是TC4。
【文檔編號】G06F19/00GK103745114SQ201410020912
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】肖軍杰, 李東升, 續(xù)明進(jìn), 程光耀, 李宏峰 申請人:北京印刷學(xué)院