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基于数值模拟的金属型铸造拉伸试棒残余应力分析

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余应 力 大小 的关键 工 艺参数 ，以确 定 工艺 改进 方 案 ， 消除或减少残余 应力 。 由于影 响试验结 果 的因素众 多 ，要 全面考 虑这 些 因素对实 际问题 的影 响 ，并 通过 物理试 验进行 全面 验 证 比较 困难 ，也不现 实 。因此 ，在本 文 中采 用数 值模 拟与试验设计 相结合 的方法口 ］ ，采用数值模 拟的虚拟试 验代替 物理试验 ，可 以避免物 理试验 周期长 且费用 昂 贵 的 缺点 ；采 用 试验 设计 的 方法 可 以减 少试 验 次数 ， 减少数值模拟所用 的时间。
在使用如 图ｌ 浇注 系统铸 造 出的拉伸试 棒测定材料 一端 的根部 断裂而没有 从 中间断裂 。通过对 原铸 造工 艺进 行数 值模 拟分析 ，发现此 部位 比 中间存 在 的残余 应 力
要大 得多 。本 文研究 目的是 找到影 响铸造 拉伸试 棒残
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基 于数值模拟的金属型铸造拉伸试棒残余应力分析
张金 山 ，邱 彬 ，姬 国强 ，王 星 ，赵 高瞻
（ 太原理工大学材料科 学与工程 学院，山西太原 ０ ０ ２ ） ３ ０４
摘 要 ：采用数值模拟与正交试验相结合的方法，对影响拉伸试棒残余应力的浇注温度、 模具温度、开模时间等进行模
ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｄ ｏ ｅ ｉ ｅ ｗｅ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｙ ｔ ｅ ｍ ｅ ｈ ｄ ｆｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｅ ｔａ ｄ ｎ ｍ ｅ ｉａ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｍ ｌ ｐ ｎ ｔ ｒ ｎ ｌ ｄ ｂ ｈ ｔ ｏ ｓ ｏ ｒ ｇ ｎ Ｉ ｓ ｎ ｕ ｒ Ｉ ｍ ｚ ｈ ｔ ｃ
拟分析。通过对模拟 的结果分析表 明：开模时间是 影响残余应力的主要因素，可 以通过对开模 时间的调整来达 到减少 残余应力 的 目的；模具温度对残余应力的影响较小，模具温度越高残余应力越小；浇注温度对残余应力几 乎没有影响。
关键 词 ：拉伸试 棒 ；数值模拟 ；正交试验 ；残余应力
中 图分 类号 ：Ｔ ２ ９３３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ — ９ ７ （０ ０ ８ ０ １— ４ Ｇ ４． ９ ． ０ １ ４ ７ ２ １）０ — ８ ８ ０
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图 １ 浇 注 系统 三维 模 型
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残余应力及如何测量

残余应力及如何测量

为什么会有残余应力金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力.原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。

残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。

金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。

外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。

通常用热处理、时效处理来消除残余应力。

因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。

所以会产生残余应力。

组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。

所以就回有残余应力。

我们真正关心的是零件加工后的质量。

由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。

当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。

减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。

不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。

影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。

在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。

机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。

金属残余应力检测-基于超声技术

金属残余应力检测-基于超声技术


Ι Π
入射 纵波
ө0 ө0
cr sin 1 (V0 V1 )
cr
Ө1 折射纵波
为第一临界角
Өs
折射横波
超声波折射现象中的折射角不仅与入射角 有关系，还与超声波在两种介质中的传播 速度有关
华泰科技
残余应力超声无损检测原理-----声时法
临界折射纵波(LCR波) 有机玻璃楔块中的纵波通过界面传入工件时，形成折射 纵波，当入射角为第一临界角时，折射纵波沿试件表面 和亚表面传播，称为临界折射纵波。
超声残余应力测量概述
残余应力 是指构件在制造或使用过程中， 受力后，由于应力场、温度场和组织不 均匀性等原因，在外力撤除后构件内仍 保留的应力。
宏观上，残余应力分为拉伸应力和 压缩应力； 微观上，残余应力分为微观结构应 力和晶内亚结构应力。
华泰科技
残余应力超声无损检测原理-----声时法
第一临界角 当纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中时，会 有一个特殊入射角使折射纵波的折射角等于90度，这个角度 就是第一临界角。 sin 0 sin l sin s
T R
Lcr波
利用临界折射纵波自紧应力示意图
华泰科技
残余应力超声无损检测原理-----声时法
临界折射纵波信号波形
临界折射纵波波形
华泰科技
残余应力超声无损检测原理-----声时法
临界折射纵波声速 根据声弹性理论，工件自紧应力和无自紧应力情况下 ,超声波在其中
的传播速度是不同的，且传播速度与自紧应力的大小和状态有一定的 关系。
残余应力超声无损检测原理-----声时法
测量原理
发射探头
(v0 , t0 )
x
自紧应力测量公式：
钢结构焊接中的残余应力分析方法

钢结构焊接中的残余应力分析方法

局部-整体法的优势
能够兼顾计算精度和计算效率，适用于大型复杂 焊接结构的残余应力分析。
03
钢结构焊接中的残余应力测量技术
X射线衍射法
01
02
03
04
原理
利用X射线在晶体中的衍射现 象，通过测量衍射角的变化来 计算残余应力。
优点
非破坏性测量，对试样无损伤 ，可测量小区域和复杂形状的 构件。
缺点
设备昂贵，操作复杂，需要专 业人员进行操作和分析。
将数值模拟得到的残余应力分布结果与实验结果 进行对比分析，验证模拟的准确性。
模拟结果优化
针对误差来源进行模拟结果的优化和改进，提高 数值模拟的精度和可靠性。
ABCD
误差来源分析
分析数值模拟中可能存在的误差来源，如模型简 化、材料参数不准确等，并提出改进措施。
工程应用探讨
探讨数值模拟在钢结构焊接残余应力分析中的工 程应用前景和局限性。
原理
利用超声波在材料中的传播速 度与应力之间的关系，通过测 量超声波传播速度的变化来计
算残余应力。
优点
设备相对简单，操作方便，可 实现在线测量。
缺点
对材料表面粗糙度和温度等因 素敏感，测量结果易受干扰。
应用范围
适用于各种金属材料和构件的 表面残余应力测量。
应变片法
原理
在构件表面粘贴应变片，通过测量应 变片电阻值的变化来计算残余应力。
求解过程
采用合适的数值方法求解边界积分方 程，得到焊接过程中的温度场和应力
场分布。
材料本构关系与热源模拟
定义材料的本构关系和焊接热源模型 ，以模拟焊接过程中的热力学行为。
结果分析与验证
对求解结果进行可视化处理和数据分 析，评估残余应力的分布和影响，并 与实验结果进行对比验证。
残余应力

残余应力

特种加工
残余应力测量方法与 消除技术
汇报人： 学 号：
• 残余应力的危害
主要内容
• 残余应力测量方法 • 残余应力消除技术
残余应力的产生及原因
残余应力是如何产生的呢？ 机械零部件在铸造、热处理、焊接、 压力加工、切削加工等制造过程中， 由于受热不均、机械载荷等因素产 生内部应力，而当这些因素消失后 仍然有部分应力残留，就成为残余 应力。 残余应力产生的原因:
钻孔法示意图
典型的钻孔云纹图 条纹分布
环芯法与深孔法
环芯法：其原理与钻 孔法相似。 深孔法：原理是首先在 零件上钻一个小孔，精 确测量出小孔的直径， 然后在零件上钻一个与 小孔同心的环，其周围 因为应力释放而使小孔 的直径发生变化，经计 算得到钻孔处原有的应 力。
环芯法示意图
深孔法示意图
剥层法
剥层法常用于测定几何形状简 单（平板、圆柱）的试件。 原理：当通过电化学方法从含 有残余应力的平板或圆柱上去 除一层材料时，其内部残余应 力将不再平衡，当它重新平衡 时将导致平板变形，平板弯曲 的曲率取决于被去除掉的那层 材料原来的残余应力分布和遗 留部分材料的弹性性能。
成分差异 不同材料成分 的比容不同 渗碳、氮 化、电镀、 材料制备等
产生的工 艺过程
切削、喷 丸、冲压、 锻造等
热处理、焊接、 热处理、焊接、 材料制备等 材料制备等
残余应力的危害
1）残余应力能影响零件的加工精度。一方面，后续工 序将引起前道工序的残余应力重新分布；另一方面，残 余应力随时间的推移缓慢松弛，均能导致零件变形和尺 寸不稳定。 2）残余应力能够影响零件的疲劳强度。表面压应力增 大疲劳强度；表面拉应力减小疲劳强度。 3）表面残余拉应力能加速应力腐蚀。
钻孔法