[发明专利]一种钛合金应力松弛数值及回弹计算方法

说明书

技术领域

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

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

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。

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。

本发明采用以下技术方案：

(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函数，采用试错法确定拟合钛合金的材料参数；

(4)将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)选择的本构函数，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；

(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。

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。

下面选择TC4钛合金板材为例，说明本发明的具体实施。

附图说明

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；

图2TC4钛合金应力松弛特性与温度的关系；

图3不同温度TC4合金的蠕变应变速率-应力关系曲线；

图4等曲率模具蒙皮有限元分析模型；

图5分析模型有限元网格划分；

图6TC4钛板700℃热拉伸数值模拟等效应力分布；

图7TC4工件700℃蠕变过程应力变化与应力松弛试验对比；

图8TC4钛板700℃蠕变成形结束时等效应力分布；

图9TC4钛板700℃蠕变卸载后等效应力分布；

图10TC4钛板蠕变卸载后回弹位移分布(700℃)。

具体实施方式

下面结合附图1-10和具体实例对本发明作详细说明。

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：

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。