一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法
【专利摘要】本发明提供了一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，包括以下步骤：(1)材料试验机上进行钛合金材料热应力松弛试验；(2)绘制钛合金应力松弛曲线，进行曲线特征分析；(3)依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，采用试错法确定钛合金的材料参数；(4)基于有限元软件ABAQUS，将步骤(3)确定的材料参数代入蠕变分析模块，采用静力隐式算法，进行工件蠕变松弛分析；(5)将蠕变松弛数据作为卸载回弹的初始状态，进行工件回弹分析，确定蠕变回弹后的回弹大小。分析结果表明，钛合金经过应力松弛后，零件回弹大大减小，成形精度提高。选择合理松弛时间，就可实现钛合金零件的精确成形。
【专利说明】一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，具体而言，涉及钛合金材料的应力松弛试验，材料本构建模，工程数值分析及回弹计算，属于材料热加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]钛合金材料具有高比强度、低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、与复合材料无电偶腐蚀等诸多优点，因此在航空航天工业得到日益广泛的使用。但是由于钛合金是密排六方晶体结构，滑移系少，室温下塑性成形性能很差，难以通过冷成形方法加工，从而大大限制了其在结构方面的应用。对此，钛合金大都采用热成形方法加工制造。钛合金在热加工时，具有优良的蠕变松弛性能，容易实现零件精确成形；同时，钛合金材质飞行器、仪器在高温服役时，容易产生发生蠕变松弛，因此迫切需要对钛合金等材料的蠕变松弛进行建模计算和回弹分析，进而减少钛合金的设计、制造成本。但是，钛合金材料应力松弛具有时间相关、瞬时微变、高度非线性等特点，导致蠕变、应力松弛异常复杂。因此，对蠕变松弛的研究变得非常困难。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了建立一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，并将其应用推广至工程化。
[0004]本发明建立一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，通过应力松弛试验、本构建模、参数识别、拟合仿真、回弹计算等工程方法，快速确定钛合金应力松弛的材料参数，从而建立钛合金材料的蠕变松弛本构关系，采用有限元仿真方法对蠕变松弛过程进行应力、回弹预测，减小钛合金零件的设计、制造和最终成本；同时也为钛合金零件工程服役中的蠕变松弛提供一种研究方法。
[0005]本发明采用以下技术方案:
[0006](I)参照GB/T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样，在材料试验机上进行钛合金材料应力松弛试验；
[0007](2)依据步骤(I)得到的钛合金材料的应力松弛试验数据，绘制钛合金应力松弛曲线，进行曲线特征分析；
[0008](3)依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，采用试错法确定拟合钛合金的材料参数；
[0009](4)将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)选择的本构函数，确定材料的本构方程；然后基于有限元软件ABAQUS对分析模型进行建模，将步骤(3)的本构方程参数输入分析模型，采用静力隐式算法，进行工件蠕变松弛分析；
[0010](5)分析应力松弛应力变化情况与实际工程的符合程度；接着，基于分析结果，将松弛结束时的应力数据作为卸载回弹的初始状态，采用静力隐式算法，进行工件的卸载回弹分析；然后，根据回弹量，计算回弹角大小；最后，数值分析结果表明，选择合理的松弛时间，钛合金经过蠕变松弛后，零件回弹大大减小，成形精度提高，实现钛合金零件精确成形。[0011 ] 与现有技术相比，本方法的优点在于:采用了金属材料本构建模的思想，对钛合金材料模型化，采用本构建模、参数识别、参数拟合、数值仿真、回弹计算等方法，快速确定钛合金材料的参数，建立钛合金材料高温蠕变本构模型，进行有限元仿真计算，最够根据松弛结束时的应力条件，采用静力隐式算法，进行回弹分析计算。该工程方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点。
[0012]下面选择TC4钛合金板材为例，说明本发明的具体实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法的流程图；
[0014]图2TC4钛合金应力松弛特性与温度的关系；
[0015]图3不同温度TC4合金的蠕变应变速率-应力关系曲线；
[0016]图4等曲率模具蒙皮有限元分析模型；
[0017]图5分析模型有限元网格划分；
[0018]图6TC4钛板700°C热拉伸数值模拟等效应力分布；
[0019]图7TC4工件700°C蠕变过程应力变化与应力松弛试验对比；
[0020]图8TC4钛板700°C蠕变成形结束时等效应力分布；
[0021]图9TC4钛板700°C蠕变卸载后等效应力分布；
[0022]图10TC4钛板蠕变卸载后回弹位移分布(700°C )。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图1-10和具体实例对本发明作详细说明。
[0024]本发明提供了一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其流程如图1所示。本发明步骤如下:
[0025]步骤1、选择TC4钛合金材料，料厚为1.5mm。参照GB/T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样。在材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度控制为5mm/min。预拉伸量为4%时进行应力松弛试验,记录试验数据。
[0026]步骤2、借助绘图软件Origin，根据应力松弛试验数据绘制TC4钛合金的应力松弛曲线，见图2，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示瞬时工程应力。
[0027]分析图2，可以看出，温度对TC4钛合金的应力松弛效应最为显著，它是控制应力松弛的最关键因素。温度越高，应力松弛速度越快，应力松弛极限越低。如图2所示，温度越高，应力松弛试验曲线越低。
[0028]步骤3、应力松弛是蠕变引起的，应力松弛的本质是一种特殊形式的蠕变。有限元软件中，只有蠕变形式的数值模拟，没有直接的应力松弛数值模拟，因此，对应力松弛的数值模拟可以转化为蠕变进行数值模拟。因此，需要将应力松弛曲线转变成蠕变曲线。具体如下:
[0029]蠕变应变速率是材料应力松弛过程中的一个非常重要的物理量，它与应力的关系是材料应力松弛中的最基本的关系式，是利用有限元软件模拟材料蠕变成形过程的基础。
[0030]在整个应力松弛过程中，存在如下关系:[0031]ε t= ε e+ ε c (I)式中，ε t为总应变；ε e为弹性应变；ε。为蠕变应变。应力松弛过程中，总应变保持不变，弹性应变逐渐转化为蠕变应变，则:
【权利要求】
1.一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)参照GB/T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样，在材料试验机上进行钛合金材料应力松弛试验； (2)依据步骤(1)得到的钛合金材料的应力松弛试验数据，绘制钛合金应力松弛曲线，进行曲线特征分析； (3)依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构方程，采用试错法拟合确定钛合金的材料参数； (4)将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)选择的本构函数；然后基于有限元软件ABAQUS对分析模型进行建模，将步骤(3)的本构方程参数输入分析模型，采用静力隐式算法，进行工件蠕变松弛分析； (5)分析应力松弛应力变化情况与实际工程的符合程度；接着，基于分析结果，将松弛结束时数据作为卸载回弹的初始状态，采用静力隐式算法，进行工件卸载回弹分析；然后，根据回弹量，计算回弹角大小。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于所述钛合金材料是所有钛合金家族的材料，也包括其它具有显著蠕变松弛性能的金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于所述步骤⑶选择的本构方程是时间硬化模型之、应变硬化模型^(々”[(所+丨^^广或双曲正弦型螺变本构模型^^雄础則”哪。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于所述步骤(3)选择的本构方程是基于应力松弛数据二次开发的宏观、宏细观耦合本构模型。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于所述步骤(3)使用的“试错法”，需要根据一定的经验、规律进行试错，进而迅速确定材料参数。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法，其特征在于所述钛合金材料是TC4。
【文档编号】G06F19/00GK103745114SQ201410020912
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】肖军杰, 李东升, 续明进, 程光耀, 李宏峰 申请人:北京印刷学院