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GH4169高温合金残余应力的实验测量和模拟研究

【摘要】:残余应力是指存在于材料内部的稳定的自平衡应力场,它的存在可能对材料力学性能和工程部件的寿命极为不利,但一些人为引入的残余应力也可能对部件是有益的。未知的残余应力与服役荷载的叠加常常使服役中的工程部件的实际受力状态难以确定,从而导致对部件性能及预期寿命的错误判断。因此,准确评估残余应力对预测工程部件的疲劳寿命和评估结构完整性十分必要。本文针对GH4169镍基高温合金材料的紧凑拉伸试样,采用轮廓法与应力分布函数的傅立叶级数表示相结合的方法来测量紧凑拉伸试件预压缩后引入的残余应力,并将所得实验结果与有限元计算模拟进行对比验证。本文首先将含残余应力的紧凑拉伸试件沿几何对称面切开,采用高精度接触式三坐标测量设备获得切割面的表面轮廓数据。传统的轮廓法通过将测量残余应力释放后引起的变形轮廓并将其作为位移边界条件输入有限元模型计算得到切割面上的残余应力分布,这种方法需要保证实验的各个步骤都非常精确,但在实际操作中可能引入误差的环节非常多。本文发现了导致轮廓法实验误差的一些原因,并在实验中设计避免了这些误差,得到了较准确的轮廓数据和残余应力测量结果。此外,本文还采用完备的傅立叶级数表示应力分布函数,取前八谐截断并将每谐的基函数输入平面应变有限元模型中计算相应的切割面的位移分布,进而基于弹性叠加原理线性叠加拟合实验测得的变形轮廓,从而获得切割面上残余应力。这种方法可以排除测量数据存在一些误差,因此不必严格地保证实验过程的精确性,也能得到准确的残余应力数据。为了进一步验证该方法,本文还采用弹塑性有限元方法使用三种不同的本构模型分别模拟了紧凑试样的预压缩过程,分析了残余应力的产生过程。有限元模拟结果和实验测量得到的切割面法向残余应力分布结果符合一致。此外,本文还使用有限元模拟软件人为构造了满足自平衡条件的切向残余应力释放导致的变形轮廓,并使用上述方法分析了变形轮廓,计算得到的切割面切向残余应力分布与原始构造所用的数据符合一致。

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