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)會議上,看到國內(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)果和測量結(jié)果高度一致。作為國內(nèi)殘余應(yīng)力領(lǐng)域內(nèi)的資深專家,對此有不同的看法,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。所以機械零部件和構(gòu)件在制造時,各種加工工藝,比如,焊接、鍛壓、鑄造和各種熱處理工藝等,都會使材料進入塑性變形區(qū),從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在實際生產(chǎn)中,上述加工工藝都會產(chǎn)生足以引起材料相變的高溫。因此,殘余應(yīng)力數(shù)值模擬在計算力學(xué)上是一個典型的熱力耦合問題,即熱力學(xué)和力學(xué)的相互迭代非線性有限元計算。這就引

 

出了幾個不容易模擬的難題。

1、 熱力學(xué)邊界條件的熱交換問題

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)值模擬時材料與周圍介質(zhì)熱交換更逼近實際是不容易做到的,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)計算涉及的本構(gòu)關(guān)系問題

要計算殘余應(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,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)的相變問題

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

4、 熱力耦合非線性計算數(shù)學(xué)迭代問題

這是高難度的有限元計算數(shù)學(xué)問題,國外這個問題研究成果顯著,已有靜力、動力、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。而國內(nèi)在這方面幾乎沒有什么高水平的軟件。

 

上述前3個難題決定了任何一個軟件對殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬只能是定性的而不能定量,因為差之毫厘,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)力測量值為參考,修正這3個難題中的計算參數(shù),直到模擬的殘余應(yīng)力數(shù)值接近測量值,以后就利用這些參數(shù)來進行某個方面特定的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬,而不是通用殘余應(yīng)力數(shù)值模擬,因為每個殘余應(yīng)力模擬問題的參數(shù)是不同的。這是殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和測量結(jié)果的人工強制一致,而不是國內(nèi)殘余應(yīng)力研究者發(fā)表的論文,不做任何修正,計算的殘余應(yīng)力結(jié)果和測量結(jié)果就高度一致。至于第4個難題,由于市場經(jīng)濟的原因,我國目前還沒有殘余應(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編了一個熱處理或材料加工、成型方面的小程序,就炫耀效果如何如何,無知者無畏,如果那樣的話,國外的軟件就不會賣幾十萬甚至幾百萬了。

 

作者,趙懷普,國內(nèi)資深應(yīng)力測試儀專家,西安交通大學(xué)力學(xué)系畢業(yè),近三十來,長期從事實驗應(yīng)力分析和有限元模擬計算工作,曾創(chuàng)新性地采用實驗力學(xué)與計算力學(xué)相結(jié)合的方法,提出了新的三維殘余應(yīng)力測量方法,其論文在國際期刊《Strain》上發(fā)表。在科研成果中,成功地把環(huán)芯法殘余應(yīng)力測量方法引進到我國重機行業(yè)中,因此獲黑龍江省科技進步一等獎。