殘余應力數值模擬中的難題

經常在各種科技期刊和殘余應力學術會議上,看到國內殘余應力研究者發表的論文,其中,殘余應力數值模擬結果和測量結果高度一致。作為國內殘余應力領域內的資深專家,對此有不同的看法,因此特指出殘余應力數值模擬中的難題。

 

殘余應力測試儀之所以產生,從力學角度講,是由于材料加載(包括外力和溫度等因素)產生了塑性變形,卸載后,由于材料進入塑性區而恢復不了原始狀態,必然留下殘余的變形,這部分變形就產生了殘余應力。所以機械零部件和構件在制造時,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,從而產生殘余應力。在實際生產中,上述加工工藝都會產生足以引起材料相變的高溫。因此,殘余應力數值模擬在計算力學上是一個典型的熱力耦合問題,即熱力學和力學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,如何保證數值模擬時材料與周圍介質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、 力學計算涉及的本構關系問題

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

3、 材料金屬學的相變問題

殘余應力數值模擬中,熱力耦合迭代,材料要經過相變區,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學迭代問題

這是高難度的有限元計算數學問題,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力的數值模擬只能是定性的而不能定量,因為差之毫厘,失之千里,熱力學邊界條件、材料本構關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力值。但可以以殘余應力測量值為參考,修正這3個難題中的計算參數,直到模擬的殘余應力數值接近測量值,以后就利用這些參數來進行某個方面特定的殘余應力數值模擬,而不是通用殘余應力數值模擬,因為每個殘余應力模擬問題的參數是不同的。這是殘余應力數值模擬結果和測量結果的人工強制一致,而不是國內殘余應力研究者發表的論文,不做任何修正,計算的殘余應力結果和測量結果就高度一致。至于第4個難題,由于市場經濟的原因,我國目前還沒有殘余應力數值模擬方面的高水平軟件。而有些年輕的碩士、博士剛入門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,國內資深應力測試儀專家,西安交通大學力學系畢業,近三十來,長期從事實驗應力分析和有限元模擬計算工作,曾創新性地采用實驗力學與計算力學相結合的方法,提出了新的三維殘余應力測量方法,其論文在國際期刊《Strain》上發表。在科研成果中,成功地把環芯法殘余應力測量方法引進到我國重機行業中,因此獲黑龍江省科技進步一等獎。