TA15钛合金薄壁锥筒件焊后热处理校形数值模拟研究

发布时间：2017-05-10 01:02

  本文关键词：TA15钛合金薄壁锥筒件焊后热处理校形数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：TA15钛合金是一种在航空上广泛使用的中温钛合金,但由于钛合金固有的高强度、低模量特性使得其在精密加工过程中的回弹现象严重。热处理校形技术是一种基于高温应力松弛原理的精密热处理技术,其通过在高温状态下长时间保温将工件内部应力松弛到极限,从而使工件在室温时处于一个低应力状态,极大减小了回弹的发生,成型精度大大提高。本文以航空上常用的TA15钛合金焊接成型锥筒件为研究对象,对其焊后热处理校形精度影响因素进行了研究,并利用研究结果指导该锥筒件的热处理校形工艺及模具尺寸设计。在本文中,首先在Abaqus有限元软件中对TA15钛合金锥筒件进行了激光焊接数值模拟。在焊接过程模拟中,采用了模拟焊接金属熔敷及连接的生死单元技术,同时设置了随单元生死的动态换热表面,通过上述处理方法,验证了已发表文献关于钛合金激光焊接的焊缝形状及焊缝应力分布,发现抛物线旋转体热源比双椭球体热源能更好地描述激光焊接热源能量分布,同时也证明已建立激光焊接模拟模型的正确性。随后,对TA15钛合金锥筒件进行激光焊接模拟,发现焊接残余应力场、变形场主要集中在距离焊缝中心10mm范围内的焊缝及焊接热影响区。其中,残余应力值高达500至900MPa,综合位移最大为2.8mm,纵向、径向、横向的单向最大位移依次为1.6mm、1.25mm、0.45mm。根据文献中TA15合金600℃、650℃、700℃下的应力松弛曲线,基于快速、过渡、缓慢松弛三阶段建立了TA15合金在上述不同温度下的本构方程,并编写相应本构关系子程序导入建立的高温环状应力松弛模型进行模拟,所得到的松弛瞬时应力与文献实验结果吻合良好,同时卸载回弹量与理论计算值也高度吻合,证明TA15钛合金本构关系子程序编写正确。利用验证的应力松弛本构方程子程序研究预变形量、校形温度、模具厚度、工件变形程度对校形精度的影响规律。结果发现:随室温预变形量的增加,校形精度先增大后减小,最佳变形量为标准热胀形时变形量;对于温度及模具厚度来说,其值越大,校形精度越高,其中温度影响显著,模具厚度影响有限;工件变形程度对校形精度没有影响。利用相应结果及规律,指导设计热处理校形工艺为温度700℃、保温5000s、预变形量为2.528×10-2×,并给出相应模具尺寸的参数,对焊后状态的TA15钛合金锥筒件进行了热处理校形,校形结果满足工件加工精度要求。
【关键词】：TA15钛合金 激光焊接 应力松弛 热处理校形 有限元数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG441.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题研究意义及背景10-11
• 1.2 激光焊接特点及常用焊后热处理工艺11-13
• 1.2.1 激光焊接原理及特点11-12
• 1.2.2 常用焊后热处理工艺及特点12-13
• 1.3 钛合金应力松弛行为和热校形研究13-15
• 1.3.1 应力松弛及热校形概念13
• 1.3.2 钛合金应力松弛性能及热校形工艺研究13-15
• 1.4 有限元数值模拟技术研究现状15-21
• 1.4.1 有限元思想及常用有限元模拟软件介绍15-16
• 1.4.2 激光焊接数值模拟研究现状16-20
• 1.4.3 钛合金热处理数值模拟研究现状20
• 1.4.4 应力松弛及热校形数值模拟研究现状20-21
• 1.5 本课题主要研究内容21-23
• 第2章 材料及研究方法23-36
• 2.1 研究思路及材料23-25
• 2.1.1 研究思路23-24
• 2.1.2 研究材料24-25
• 2.2 研究对象25-27
• 2.2.1 平板激光对接拼焊构件25-26
• 2.2.2 TA15钛合金薄壁锥筒件26
• 2.2.3 高温环状弯曲应力松弛构件26
• 2.2.41Cr18Ni9Ti钢芯模构件26-27
• 2.3 激光焊接热源模型27-28
• 2.4 有限元温度场数值数学模型28-32
• 2.4.1 有限元温度场计算基本假设28
• 2.4.2 导热微分控制方程及其初始、边界条件确定28-31
• 2.4.3 瞬态温度场有限元求解方法过程简析31-32
• 2.5 有限元应力应变场数学模型32-34
• 2.5.1 有限元计算应力应变场基本假设32
• 2.5.2 热弹性、弹塑性理论基本方程32-33
• 2.5.3 应力松弛蠕变本构方程33-34
• 2.5.4 瞬态应力场有限元求解方法简析34
• 2.6 温度场与应力应变场耦合关系34-36
• 第3章 TA15薄壁锥筒件激光焊接过程模拟36-54
• 3.1 薄板激光对接拼焊模型验证及焊接过程演化分析36-46
• 3.1.1 薄板激光对接拼焊有限元模型建立36-37
• 3.1.2 激光焊接热源加载及其子程序解析37-38
• 3.1.3 不同焊接热源类型薄板激光对接拼焊模拟验证38-42
• 3.1.4 薄板激光对接拼焊温度场、应力应变场演化分析42-46
• 3.2 TA15合金薄壁锥筒件激光焊接过程模拟46-52
• 3.2.1 TA15合金薄壁锥筒件激光焊接有限元模型建立46-47
• 3.2.2 TA15合金薄壁锥筒件焊接温度场分布特点47-49
• 3.2.3 TA15合金薄壁锥筒件焊接应力应变场分布特点49-52
• 3.3 本章小结52-54
• 第4章 TA15合金高温本构关系及模拟验证54-67
• 4.1 TA15钛合金高温应力松弛本构方程建立54-59
• 4.1.1 TA15钛合金高温应力松弛曲线描述54-55
• 4.1.2 TA15钛合金高温应力松弛本构方程建立55-57
• 4.1.3 TA15钛合金高温应力松弛本构方程软件实现57-59
• 4.2 TA15钛合金应力松弛本构关系有限元模拟验证59-65
• 4.2.1 环状高温应力松弛有限元模型建立59-60
• 4.2.2 TA15高温环状应力松弛模型有限元模拟结果分析60-65
• 4.3 本章小结65-67
• 第5章 TA15合金薄壁锥筒件校形工艺研究67-87
• 5.1 TA15合金热处理校形影响因素研究67-81
• 5.1.1 模拟方案制定67-70
• 5.1.2 二维热校形有限元模拟模型建立70-71
• 5.1.3 预变形量对TA15合金热处理校形精度的影响71-74
• 5.1.4 校形温度对TA15合金热处理校形精度的影响74-77
• 5.1.5 工件变形程度对TA15合金热处理校形精度的影响77-79
• 5.1.6 模具厚度对TA15合金热处理校形精度的影响79-81
• 5.2 TA15合金锥筒件三维热处理校形过程模拟81-86
• 5.2.1 热校形模具半径计算81-82
• 5.2.2 TA15锥筒件校形热处理模拟模型建立82-83
• 5.2.3 TA15锥筒件热处理校形过程温度场、应力场及回弹分析83-86
• 5.3 本章小结86-87
• 结论87-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果92-94
• 致谢94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 陈春奎;黄永坚;王以t

本文编号：353651