殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題

1、殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題經(jīng)常在各種科技期刊和殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)會議上，看到國內(nèi)殘余應(yīng)力研究者發(fā)表的論文，其中，殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和測量結(jié)果高度一致。筆者作為國內(nèi)力學(xué)測量領(lǐng)域內(nèi)有著30多年應(yīng)力測試經(jīng)驗的專業(yè)人士，對此有不同的看法，因此特指出殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題。殘余應(yīng)力之所以產(chǎn)生，從力學(xué)角度講，是由于材料加載（包括外力和溫度等因素）產(chǎn)生了塑性變形，卸載后，由于材料進入塑性區(qū)而恢復(fù)不了原始狀態(tài)，必然留下殘余的變形，這部分變形就產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。所以機械零部件和構(gòu)件在制造時，各種加工工藝，比如，焊接、鍛壓、鑄造和各種熱處理工藝等，都會使材料進入塑性變形區(qū)，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在實際生產(chǎn)中，上述加工工藝都

2、會產(chǎn)生足以引起材料相變的高溫。因此，殘余應(yīng)力數(shù)值模擬在計算力學(xué)上是一個典型的熱力耦合問題，即熱力學(xué)和力學(xué)的相互迭代非線性有限元計算。這就引出了幾個不容易模擬的難題。1、熱力學(xué)邊界條件的熱交換問題在各種加工工藝中，比如，焊接、鍛壓、鑄造，特別是各種熱處理工藝，如何保證數(shù)值模擬時材料與周圍介質(zhì)熱交換更逼近實際是不容易做到的，只能近似。最典型的是材料淬火的快速冷卻，更不容易做到。2、力學(xué)計算涉及的本構(gòu)關(guān)系問題要計算殘余應(yīng)力就必須知道材料的本構(gòu)關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。然而，材料的彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系容易確定，但材料在上千度高溫時，要精確確定它的熱塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就非常困難，且這種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是隨溫度變化的，

3、要確定不同溫度下的熱塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就更難。3、材料金屬學(xué)的相變問題殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中，熱力耦合迭代，材料要經(jīng)過相變區(qū)，材料中每一溫度每一部分要引進多少相變變形，是個難題。4、熱力耦合非線性計算數(shù)學(xué)迭代問題這是高難度的有限元計算數(shù)學(xué)問題，國外這個問題研究成果顯著，已有靜力、動力、流體、熱力學(xué)綜合分析軟件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等，通用材料熱處理、成型軟件DEFORM-HT，板料成型、鈑金成型、沖壓成型軟件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等，鑄造模擬軟件Procast、Magmasoft等

4、，熱處理、焊接和焊接裝配軟件SYSWELD等。而國內(nèi)在這方面幾乎沒有什么高水平的軟件。上述前3個難題決定了任何一個軟件對殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬只能是定性的而不能定量，因為差之毫厘，失之千里，熱力學(xué)邊界條件、材料本構(gòu)關(guān)系和相變變形與實際情況的不符不可能模擬出精確的殘余應(yīng)力值。但可以以殘余應(yīng)力測量值為參考，修正這3個難題中的計算參數(shù)，直到模擬的殘余應(yīng)力數(shù)值接近測量值，以后就利用這些參數(shù)來進行某個方面特定的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，而不是通用殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，因為每個殘余應(yīng)力模擬問題的參數(shù)是不同的。這是殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和測量結(jié)果的人工強制一致，而不是國內(nèi)殘余應(yīng)力研究者發(fā)表的論文，不做任何修正，計算的殘余應(yīng)力結(jié)果和測量結(jié)果就高度一致。至于第4個難題，由于市場經(jīng)濟的原因，我國目前還沒有殘余應(yīng)力數(shù)值模擬方面的高水平軟件。而有些年輕的碩士、博士剛?cè)腴T編了一個熱處理或材料加工、成型方面的小程序，就炫耀效果如何如何，無知者無畏，如果那樣的話，國外的軟件就不會賣幾十萬甚至幾百萬了。作者，趙懷普，西安交通大學(xué)力學(xué)系畢業(yè)，近三十來，長期從事實驗應(yīng)力分析和有限元模擬計算工作，曾創(chuàng)新性地采用實驗力學(xué)與計算力學(xué)相結(jié)合的方法，提出了新的三