残余应力数值模拟中的难题

经常在各种科技期刊和残余应力学术会议上,看到国内残余应力研究者发表的论文,其中,残余应力数值模拟结果和测量结果高度一致。作为国内残余应力领域内的资深专家,对此有不同的看法,因此特指出残余应力数值模拟中的难题。

 

残余应力测试仪之所以产生,从力学角度讲,是由于材料加载(包括外力和温度等因素)产生了塑性变形,卸载后,由于材料进入塑性区而恢复不了原始状态,必然留下残余的变形,这部分变形就产生了残余应力。所以机械零部件和构件在制造时,各种加工工艺,比如,焊接、锻压、铸造和各种热处理工艺等,都会使材料进入塑性变形区,从而产生残余应力。在实际生产中,上述加工工艺都会产生足以引起材料相变的高温。因此,残余应力数值模拟在计算力学上是一个典型的热力耦合问题,即热力学和力学的相互迭代非线性有限元计算。这就引

 

出了几个不容易模拟的难题。

1、 热力学边界条件的热交换问题

在各种加工工艺中,比如,焊接、锻压、铸造,特别是各种热处理工艺,如何保证数值模拟时材料与周围介质热交换更逼近实际是不容易做到的,只能近似。最典型的是材料淬火的快速冷却,更不容易做到。

2、 力学计算涉及的本构关系问题

要计算残余应力就必须知道材料的本构关系,即应力应变关系。然而,材料的弹性应力应变关系容易确定,但材料在上千度高温时,要精确确定它的热塑性应力应变关系就非常困难,且这种应力应变关系是随温度变化的,要确定不同温度下的热塑性应力应变关系就更难。

3、 材料金属学的相变问题

残余应力数值模拟中,热力耦合迭代,材料要经过相变区,材料中每一温度每一部分要引进多少相变变形,是个难题。

4、 热力耦合非线性计算数学迭代问题

这是高难度的有限元计算数学问题,国外这个问题研究成果显著,已有静力、动力、流体、热力学综合分析软件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等,通用材料热处理、成型软件DEFORM-HT,板料成型、钣金成型、冲压成型软件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等,铸造模拟软件Procast、Magmasoft等,热处理、焊接和焊接装配软件SYSWELD等。而国内在这方面几乎没有什么高水平的软件。

 

上述前3个难题决定了任何一个软件对残余应力的数值模拟只能是定性的而不能定量,因为差之毫厘,失之千里,热力学边界条件、材料本构关系和相变变形与实际情况的不符不可能模拟出精确的残余应力值。但可以以残余应力测量值为参考,修正这3个难题中的计算参数,直到模拟的残余应力数值接近测量值,以后就利用这些参数来进行某个方面特定的残余应力数值模拟,而不是通用残余应力数值模拟,因为每个残余应力模拟问题的参数是不同的。这是残余应力数值模拟结果和测量结果的人工强制一致,而不是国内残余应力研究者发表的论文,不做任何修正,计算的残余应力结果和测量结果就高度一致。至于第4个难题,由于市场经济的原因,我国目前还没有残余应力数值模拟方面的高水平软件。而有些年轻的硕士、博士刚入门编了一个热处理或材料加工、成型方面的小程序,就炫耀效果如何如何,无知者无畏,如果那样的话,国外的软件就不会卖几十万甚至几百万了。

 

作者,赵怀普,国内资深应力测试仪专家,西安交通大学力学系毕业,近三十来,长期从事实验应力分析和有限元模拟计算工作,曾创新性地采用实验力学与计算力学相结合的方法,提出了新的三维残余应力测量方法,其论文在国际期刊《Strain》上发表。在科研成果中,成功地把环芯法残余应力测量方法引进到我国重机行业中,因此获黑龙江省科技进步一等奖。