本發(fā)明涉及殘余應(yīng)力，具體涉及一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、焊接、熱處理、增材制造等是現(xiàn)代工業(yè)中重要的制造工藝，但構(gòu)件不可避免在加工后產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力。其中，一般而言，不均勻的塑性變形、溫度分布及相變過程將引發(fā)宏觀殘余應(yīng)，構(gòu)件變形是宏觀尺度殘余應(yīng)力演化行為的形位響應(yīng)，不僅會降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，還可能對結(jié)構(gòu)疲勞、耐腐蝕和應(yīng)力裂紋破壞以及加工精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響；而晶粒間性能差異的作用結(jié)果將導(dǎo)致介觀殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，微觀殘余應(yīng)力是位錯等局部缺陷的綜合反映，介觀尺度和微觀尺度殘余應(yīng)力是早期蠕變、疲勞等斷裂損傷和裂紋萌生的源動力，極易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞破裂等失效問題。無論是焊接、熱處理過程中，亦或是增材制造過程，準(zhǔn)確表征多尺度殘余應(yīng)力分布對構(gòu)件高可靠性制造與運行具有重要意義。

2、然而，如果要對整個構(gòu)件進(jìn)行試驗測試其多尺度殘余應(yīng)力的分布，成本高昂，而且難以持續(xù)發(fā)展，因此提出一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法，準(zhǔn)確有效地預(yù)測及評估構(gòu)件制造過程中的不同尺度的殘余應(yīng)力分布特征。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法及應(yīng)用，能用于焊接、焊后熱處理或增材制造中殘余應(yīng)力分析，準(zhǔn)確有效地預(yù)測構(gòu)件中不同尺度殘余應(yīng)力的分布特征，進(jìn)而分析殘余應(yīng)力對構(gòu)件的力學(xué)性能及服役壽命的影響。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法，包括步驟：

4、s1、根據(jù)構(gòu)件試樣的結(jié)構(gòu)以及制造工藝，建立溫度場計算模型，并分別設(shè)置相應(yīng)的移動熱源模型、熱物性參數(shù)、初始條件、邊界條件，通過有限元模擬計算整體構(gòu)件的宏觀溫度場分布；

5、s2、利用間接熱力耦合的方法，將步驟(1)所得到的溫度場分布作為溫度載荷耦合到應(yīng)力場的計算中，并設(shè)置相應(yīng)的相變模型、相尺寸計算模型、相含量-元素成分-晶粒尺寸耦合的屈服強(qiáng)度計算模型，建立基于溫度-應(yīng)力-微結(jié)構(gòu)耦合的多物理機(jī)制宏觀殘余應(yīng)力計算模型，通過有限元模擬計算宏觀殘余應(yīng)力分布；

6、s3、建立微介觀幾何模型，利用子模型技術(shù)，以宏觀溫度場模型為邊界，計算微介觀幾何區(qū)域的溫度場，并將子模型溫度場結(jié)果作為介觀和微觀應(yīng)力場計算的預(yù)定義場，然后耦合包括位錯滑移、孿生、相變在內(nèi)的多種微觀機(jī)制特征，建立基于溫度-應(yīng)力-微結(jié)構(gòu)耦合的多物理機(jī)制介觀和微觀殘余應(yīng)力計算模型，并結(jié)合標(biāo)定的晶體塑性參數(shù)，建立三類應(yīng)力分離模型，通過有限元模擬計算介觀和微觀殘余應(yīng)力分布。

7、進(jìn)一步地，所述步驟s2中相變模型需要根據(jù)構(gòu)件的材料屬性以及制造工藝進(jìn)行設(shè)置，若構(gòu)件在制造過程中不發(fā)生相變，則無需設(shè)置相變模型，若構(gòu)件在制造過程中發(fā)生相變，則根據(jù)相變類型選擇相應(yīng)的相變模型；

8、所述步驟s2中的相變模型包括：

9、升溫過程中，奧氏體相變過程中采用杠桿原理進(jìn)行奧氏體體積分?jǐn)?shù)的計算，即：

10、

11、其中，xa表示奧氏體體積分?jǐn)?shù)，ac1表示奧氏體化起始溫度，ac3表示完全奧氏體化溫度，t表示實時溫度；

12、降溫過程中，奧氏體向鐵素體相變采用擴(kuò)散型相變的經(jīng)典jmak方程計算，即：

13、xf＝1-exp(-utfm)

14、其中，xf表示鐵素體相變分?jǐn)?shù)，tf表示從相變溫度開始的時間，u和m表示特定反應(yīng)的時間無關(guān)常數(shù)，取決于成核、生長速率和用于確定相形成的活化能，從ttt曲線計算得到；

15、奧氏體向貝氏體相變采用貝氏體相變數(shù)學(xué)模型，即：

16、

17、其中，xb為貝氏體的體積分?jǐn)?shù)，t表示實時溫度，變量a1、b1、c1、a2、b2、c2為函數(shù)擬合的參數(shù)；

18、奧氏體向馬氏體相變采用k-m模型，即：

19、xm＝xr(1-exp(-κ·(ms-t)))

20、其中，xm為馬氏體體積分?jǐn)?shù)，xr為剩余奧氏體體積分?jǐn)?shù)，t為實時溫度，ms為馬氏體相變起始溫度，k為反映馬氏體相變過程的常數(shù)；

21、所述步驟s2中相尺寸計算模型計算公式為：

22、

23、其中，為第k種相的晶粒尺寸生長速率，ak，bk，ck是第k種相的材料參數(shù)，t為實時溫度，t1k為第k種相的ttt曲線的鼻尖溫度；用matlab遺傳算法工具箱求解上述公式中的材料常數(shù)，得到全程相變動力學(xué)模型，以預(yù)測相比例和晶粒尺寸；

24、所述步驟s2中屈服強(qiáng)度計算模型為：

25、σs＝σpn+σss+σgd

26、

27、

28、

29、其中，σs為屈服強(qiáng)度，σpn、σss和σgd分別為晶格派納力、固溶元素和晶粒邊界對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值；k為序號，xk為第k種相的相體積分?jǐn)?shù)；khp為晶界和相界的阻礙作用的大小。

30、進(jìn)一步地，所述步驟s2中應(yīng)力場分析過程中使用熱彈塑性理論以及相變理論分析溫度對構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的影響；

31、當(dāng)構(gòu)件不發(fā)生相變時，其總應(yīng)變增量的計算公式為：

32、

33、當(dāng)構(gòu)件發(fā)生相變時，其總應(yīng)變增量的計算公式為：

34、

35、其中，分別為彈性應(yīng)變增量、塑性應(yīng)變增量、熱應(yīng)變增量、相變應(yīng)變增量和相變塑性應(yīng)變增量。

36、進(jìn)一步地，所述步驟s3具體為：

37、s31、建立微介觀幾何子模型，利用子模型技術(shù)，將步驟s2的宏觀溫度場計算模型作為其全局模型，子模型溫度場計算時的熱物性參數(shù)與宏觀溫度場計算時一致，對整體子模型限制溫度的自由度，通過有限元模擬計算子模型溫度場；

38、s32、根據(jù)實際母材微觀組織形貌建立初始時刻微介觀幾何模型，根據(jù)dream.3d計算出的realistic模型結(jié)合matlab腳本程序得到各晶粒對應(yīng)的實際的歐拉角，并通過python腳本程序賦予各晶粒實際的晶粒取向；

39、s33、基于納米壓痕實驗，獲取并賦予不同相的微觀晶體塑性參數(shù)，建立應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系式；

40、s34、基于步驟s31計算子模型溫度場時的微介觀幾何子模型，引入包括各相位錯滑移、孿生、相變在內(nèi)的多種微觀機(jī)制特征，建立耦合位錯滑移-孿生-相變的多機(jī)制塑性變形本構(gòu)模型；將子模型溫度場結(jié)果作為介觀和微觀應(yīng)力場計算的預(yù)定義場，對模型四周各節(jié)點采用位移邊界進(jìn)行約束，子模型在全局模型相對應(yīng)位置的邊界條件傳遞到子模型應(yīng)力場計算中，通過計算得到待測試區(qū)域的全應(yīng)力分布；

41、s35、建立三類應(yīng)力的分離模型，并編寫子程序，對三類應(yīng)力進(jìn)行云圖處理分析，得到待測試區(qū)域的介觀和微觀尺度殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

42、進(jìn)一步地，所述步驟s34中耦合位錯滑移-孿生-相變的多機(jī)制塑性變形本構(gòu)模型為：

43、

44、其中，k、α、β為序號，nk為相變涉及到的金相組織的總數(shù)量，nα為第k種相中滑移系的總數(shù)量，xk為第k種相的相體積分?jǐn)?shù)，為第k種相中第α個滑移系的滑移剪切率，為第k種相中第α個滑移系的取向張量，若材料存在孿生行為，nβ為第k種相中孿生系的總數(shù)量，為第k種相中第β個孿生系的孿生剪切率，為第k種相中第β個孿生系的取向張量。

45、上述滑移剪切率表示為：

46、

47、上述孿生剪切率表示為：

48、

49、其中，為參考剪切應(yīng)變率，w為敏感系數(shù)，為第k種相中第α個滑移系上的剪切應(yīng)變分量，為第k種相中第α個滑移系的滑移阻力；為第k種相中第β個孿生系上的剪切應(yīng)變分量，為第k種相中第β個孿生系的滑移阻力。

50、進(jìn)一步地，所述步驟s35中建立的三類應(yīng)力的分離模型為：

51、

52、

53、σjii＝σjii+iii-σjiii

54、其中，j為微觀代表性體積單元模型中任一節(jié)點，n為節(jié)點總數(shù)量，σji+ii+iii為特定節(jié)點處的全應(yīng)力，σji、σjii、σjiii分別代表第i、ii、iii類殘余應(yīng)力。

55、本發(fā)明還提供一種多尺度殘余應(yīng)力數(shù)值模擬計算方法在分析焊接、焊后熱處理、電弧增材制造以及選區(qū)激光熔化增材制造過程中的殘余應(yīng)力的應(yīng)用。

56、進(jìn)一步地，對于采用焊接、焊后熱處理或電弧增材制造工藝制備得到的構(gòu)件試樣，其步驟s1具體為：

57、根據(jù)構(gòu)件試樣的結(jié)構(gòu)利用abaqus軟件建立有限元模型，根據(jù)焊縫的實際形貌設(shè)置相應(yīng)的移動熱源模型，結(jié)合移動熱源模型自主開發(fā)abaqus熱源子程序；通過有限元模擬得到焊接或電弧增材制造過程中的溫度場分布；對于焊后熱處理，則基于該焊接過程的溫度場分布計算焊后應(yīng)力場，然后在焊后應(yīng)力場基礎(chǔ)上根據(jù)熱處理工藝參數(shù)設(shè)置溫度幅值曲線進(jìn)行熱處理溫度場模擬，得到焊后熱處理的溫度場分布。

58、進(jìn)一步地，對于采用選區(qū)激光熔化增材制造的構(gòu)件試樣，其步驟s1具體為：

59、s11、利用fluent軟件建立基于單道掃描區(qū)域的有限體積模型，設(shè)置考慮激光束與粉末材料之間折減作用的雙橢球熱源模型，并編寫反映表面張力、反沖壓力以及溫度變化過程中的對流換熱和輻射換熱的udf程序，通過流體動力學(xué)模擬計算單道掃描區(qū)域的熔池變化、溫度場分布及熱循環(huán)曲線；

60、s12、基于單道掃描區(qū)域的計算結(jié)果，利用abaqus軟件建立由粉末沉積層和基板組成單層粉末沉積層的有限元模型，并設(shè)置相應(yīng)的等效熱源模型，通過有限元模擬計算單層粉末沉積層的溫度場分布及熱循環(huán)曲線；

61、s13、針對選區(qū)激光熔化增材制造構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)建立有限元模型，引入步驟s12建立的等效熱源模型，并基于步驟s12的計算結(jié)果，重復(fù)加熱熔化-冷卻凝固的循環(huán)過程，直到沉積完成整個宏觀構(gòu)件，得到整體構(gòu)件的溫度場分布。

62、進(jìn)一步地，所述步驟s11中所建立的激光束與粉末材料之間折減作用的雙橢球熱源模型為：

63、

64、其中，為粉末顆粒消耗的激光功率分?jǐn)?shù)，(1-ηp)為激光的折減系數(shù)，ηs為材料吸收率，正交坐標(biāo)系x，y，z分別表示激光在熔化粉末層時的軌跡，a，b，cf，cr分別為熱源模型的形狀參數(shù)，ff和fr為熱源能量的分配系數(shù)，ff+fr＝2，利用保證q(x，y，z，t)在z＝0時熱源的連續(xù)性，v為熔覆速率，t為熔覆時間，p為熔覆功率；

65、所述步驟s12中在建立等效熱源模型時，將橢球體的熱源簡化成長方體的熱源，將單道模擬計算時的體熱源的能量密度定義為單位體積熱輸入的功率密度，將考慮激光和粉末顆粒作用的折減系數(shù)引入到單位體積功率密度的計算中，得到等效熱源模型的計算模型：

66、

67、其中，ds為激光光斑的直徑，h為單道掃描時掃描寬度，dm為單層粉末沉積層的厚度，激光光斑的直徑、單道掃描時掃描寬度和單層粉末沉積層的厚度分別是簡化后的長方體的長、寬、高。

68、本發(fā)明的有益效果為：

69、(1)本發(fā)明提出了一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法，在應(yīng)力計算過程中將位錯滑移、晶粒取向、位錯密度等微結(jié)構(gòu)演化特征耦合宏觀熱力邊界條件，并設(shè)置相應(yīng)的相變模型、相尺寸計算模型、相含量-元素成分-晶粒尺寸耦合的屈服強(qiáng)度計算模型，建立基于物理機(jī)制的多尺度殘余應(yīng)力計算方法，并構(gòu)建了宏觀、介觀和微觀多尺度殘余應(yīng)力的分離模型，揭示了焊接及焊后熱處理或增材制造過程中多尺度殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，能準(zhǔn)確有效地預(yù)測構(gòu)件中不同尺度殘余應(yīng)力的分布特征，進(jìn)而分析殘余應(yīng)力對構(gòu)件的力學(xué)性能及服役壽命的影響；

70、(2)本發(fā)明提出了一種多尺度殘余應(yīng)力的數(shù)值計算方法，對于選區(qū)激光熔化增材制造構(gòu)件，在溫度場計算過程中依次按照單道掃描區(qū)域、單層粉末沉積層、整體構(gòu)件的順序建立激光選區(qū)熔化跨尺度溫度場計算模型，并在單道掃描區(qū)域的溫度場計算過程中所設(shè)置的移動熱源模型引入了表示激光束和粉末材料相互作用的折減系數(shù)，考慮了隨溫度梯度變化的表面張力、反沖壓力等流體流動的影響，能準(zhǔn)確表征和控制熔池的溫度變化對殘余應(yīng)力的分析和提高構(gòu)件的性能；并在單層粉末沉積層以及整體構(gòu)件的溫度場計算中建立了等效熱源模型，在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，極大程度地減少了計算時間和計算成本。