殘余應力
關注創建者：蛇のbrother（張洪鵬）_0182 創建時間：2018-07-02
殘余應力的視頻教程
abaqus 殘余應力模擬分析
殘余應力是不均勻的場等作用后仍留在物體內的自相平衡的內應力，ABAQUS可以模擬結構不對稱的工件，在冷鍛下，仍有部分應力殘留在工件內，形成殘余應力場，一般殘余應力的存在不利于工件結構穩定性以及耐使用性，通過模擬，可以預知殘余應力的位置及大小。
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ABAQUS焊后熱處理消除焊接殘余應力的數值模擬（蠕變應力松弛）
以管道環焊縫焊接殘余應力為初始條件，考慮焊后熱處理的蠕變應力松弛機制，使用abaqus計算了PWHT后的殘余應力分布狀態。詳細講解了殘余應力導入過程及后處理。QQ1224294049 參考： https://www.yqgqt.org.cn/content/post/422113 https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12175
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基于ANSYSworkbench的圓筒焊接殘余應力分析
基于ANSYSworkbench的圓筒焊接殘余應力分析，主要教會熱固耦合設置方法以及ACT移動熱源設置方法，殘余應力計算方法。
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殘余應力的實例教程
今天，我們將介紹結構力學中殘余應力的概念，并以金屬拉深工藝為例，了解如何計算殘余應力。我們以一個經過或未經過加工硬化的彎曲梁為例，先解釋如何計算和分析殘余應力，然后介紹一個鈑金成形模型。
什么是殘余應力？
殘余應力是指塑性結構卸載后仍然存在的自平衡應力。在機械零件的制造過程中，會引入殘余應力，并將影響零件的
疲勞
、失效甚至腐蝕行為。
實際上，不受控制的殘余應力可能會導致結構過早失效。盡管殘余應力可能會改變性能，甚至會導致制造的產品故障，但是一些應用實際上是需要它們的。例如，像智能手機屏幕的玻璃這樣的脆性材料，在制造過程中通常會在表面誘發壓縮殘余應力，以避免裂縫尖端的擴散。
因此，殘余應力在整個力學應用中發揮著重要作用。只有通過對這些應力進行定性和定量分析，才有可能確定最適合特定應用的加工工藝。這些分析還可以幫助探索用于產品可靠性的最佳材料用量或最合適形狀設計，以避免故障和失效。
純彎曲下的梁
以下圖中的細長梁為例來說明。這個梁的截面為矩形，深度為
，寬度為
。梁的左側被固定，并在自由端上施加一個彎矩。
計算殘余應力
根據梁理論，在這個示例中，彎矩是恒定的，應力可以寫為：
(1)
其中，
是關于 z 軸的慣性矩。
隨著
的增加，梁首先表現為彈性行為，但在達到它的屈服彎矩
后， 開始表現為塑性行為。由此產生了彈塑性截面。當塑性區擴展到整個橫截面時，就可以確定梁所能承受的極限彎矩
。本文，我們假設梁在這樣的時刻會坍塌，并具有完美的塑性行為。
梁的外層纖維將首先達到屈服點，而核心纖維則保持彈性。
展開 它的特點是尺寸大、壁薄、結構復雜，但板材內部殘余應力引起的加工變形直接影響零部件的機械性能、疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性與使用壽命，而且由于變形的存在，大多數情況下被迫增加校正工序，當零件變形較大時，因校正導致零件破壞或無法校正的現象時有發生，即使校正后外形尺寸合格的零件，因錘擊后存在內應力甚至裂紋，造成零件早期失效而成為發生事故的重要隱患。
由于高速銑削的發展，殘余應力已經變成加工過程中整體結構件宏觀( 整體) 變形的主要因素，而在以往的研究中，研究的都是簡單的框類結構件，不能達到準確預測復雜整體結構件加工變形的目的。筆者在忽略了切削力、切削熱、裝夾等因素的影響基礎上，通過有限元仿真模擬了復雜的整體結構件的殘余應力釋放產生的加工變形，通過準確預測整體結構件的加工變形，為企業加工此類產品的加工變形控制提供了依據。
2 初始殘余應力釋放產生加工變形的基本原理
殘余應力是當沒有任何工作載荷作用的情況下，存在于結構件內部且在整個結構件內保持平衡的應力。其產生原因是工件某一部分變形受到約束，而局部不均勻塑性變形是殘余應力產生的普遍原因。殘余應力是在物體未受外力時，在內部保持自身相互平衡的應力系統。即工件內任意界面內的合力矩和合力滿足:
金屬的切削加工過程伴隨著被加工材料的去除，隨著加工材料的去除，切削層中的殘余應力被逐漸釋放，工件的自身剛度也發生變化，原始的自平衡狀態被破壞，工件為了達到新的平衡狀態而發生了變形，這就是殘余應力釋放產生加工變形的基本原理。基于以上的公式可通過理論計算和數值模擬對帶殘余應力毛坯材料切削加過程中的工件變形進行預測，以便在生產過程中采取相應的工藝措施，提高工件的制造精度。
展開 焊接殘余應力是焊接技術帶來的一個幾乎無法避免的缺陷，其危害眾所周知。焊后熱處理是一種消除焊接殘余應力常用的方法。
工程上主要采用退火處理，退火溫度越高、保溫時間越長，消除焊接殘余應力的效果就越好。但是溫度過高，使工件表面氧化比較嚴重，組織可能發生轉變，影響工件的使用性能，存在弊端。
蠕變應力松弛理論為熱處理消除焊接殘余應力提供了另一條思路，工件在較低溫度時會發生蠕變，材料內部的殘余應力會因應力松弛而得到釋放，只要保溫時間足夠長，理論上殘余應力可完全消除。在低溫消除焊接殘余應力時，材料的組織和性能變化甚微，幾乎不影響材料的使用性能，而且低溫處理材料表面的氧化和脫碳也比較小。這就可以在材料的力學性能和組織基本不變的情況下達到降低材料焊接殘余應力的目的，大大提高材料的使用壽命和性能，在工程上具有重要的意義。接下來在不同加熱溫度和保溫時間對試件進行退火處理，通過測定試件焊接殘余應力的降低程度，研究在熱處理消除焊接殘余應力過程中加熱溫度和保溫時間的等效性問題。
結果發現：熱處理對Q235鋼焊接殘余應力降低效果明顯，且在熱處理降低焊接殘余應力過程中，溫度和時間存在著一個等效性，即加熱溫度低可以長時間保溫，加熱溫度高可以縮短保溫時間，它們在降低焊接殘余應力的效果上是很接近的。
下載地址：Q235鋼真實應力應變曲線研究
展開 熱處理法
熱處理就是利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力，一般采用退火、回火等方式進行處理。
圖11 熱處理之退火處理
靜載荷加壓，就是使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形來調整工件的殘余應力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。
圖12 經過脹形處理的大型油罐
振動時效，英文叫做Vibration Stress Relief，簡稱VSR。振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘余內應力的方法，是通過振動，使工件內部殘余的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以松弛和減輕。
圖13 應變可量化式振動時效系統
機械處理，就是利用物體表面產生很小的塑性變形的方法來減小殘余應力，包括零件彼此碰撞、表面滾壓、表面拉制以及模具中表面校形精壓等。例如打鐵的好處之一就是消除殘余應力。
圖14 打鐵鍛造
文章來源：材料熱處理工程師
展開 然而，焊接過程中產生的殘余應力和微觀結構變化，常常對焊接接頭的性能和壽命產生深遠影響。為了優化焊接工藝、提高焊接質量，準確預測焊接殘余應力和微觀結構分布變得至關重要。在這一領域，Marc軟件憑借其強大的功能和卓越的性能，成為焊接仿真領域的先鋒。
焊接仿真：從復雜到精準的轉變
焊接過程涉及復雜的熱-力學行為，包括高溫下的相變、材料軟化以及快速冷卻過程中的應力累積。傳統的實驗方法雖然可以直接測量殘余應力和微觀結構，但存在成本高、效率低、難以全面覆蓋焊接接頭等問題。數值模擬技術通過建立數學模型和計算方法，能夠在計算機上模擬焊接過程，預測殘余應力和微觀結構分布，為焊接工藝的優化提供理論支持。
重慶大學鄧教授研究團隊基于Marc軟件，成功開發了一種先進的計算方法，用于模擬Q960E鋼焊接接頭的溫度場、微觀結構和殘余應力分布。這一研究不僅展示了Marc軟件在焊接仿真領域的強大功能，還為實際工程應用提供了寶貴的參考。
Marc軟件：焊接仿真領域的強大工具
1、精確的熱源模型
焊接過程中的熱輸入是影響焊接接頭性能的關鍵因素之一。Marc軟件提供了多種熱源模型，包括雙橢球體熱源模型和體積熱源模型，能夠精確模擬焊接電弧的熱輸入。重慶大學的研究團隊通過調整熱源參數，如熱流密度、熱源形狀和移動速度，成功復現了焊接過程中的溫度場分布。
2、考慮固態相變（SSPT）和軟化效應（SE）
在焊接過程中，材料的微觀結構會發生復雜的相變，如奧氏體向貝氏體和馬氏體的轉變。這些相變不僅影響材料的力學性能，還會對殘余應力的形成產生重要影響。Marc軟件通過引入相變動力學模型（如JMAK模型和K-M模型），能夠準確模擬相變過程及其對殘余應力的影響。重慶大學的研究團隊通過實驗觀察，對SH-CCT圖進行了人工修正，進一步提高了模擬結果的準確性。
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塑料材料由于韌性較差，拉伸試驗中基本沒有明顯的屈服階段，工程設計中常以產生0.2%殘余應變時的應力作為條件屈服極限。
抗拉強度是材料應力值的極限點，超過此值材料即被判定破壞失效。斷裂延伸率則是抗拉強度所對應的應變值，塑性應變值超過斷裂延伸率時，材料同樣被視為失效。
材質優先選用HT300高強度灰鑄鐵，經“高溫時效+振動時效”雙重處理，殘余應力去除率≥98%，確保長期承載無形變。同時，臺面厚度需達到T型槽深的3-4倍，槽口邊緣額外加厚5-8mm，防止槽體受力開裂、螺栓固定松動——例如適配重型螺栓的28mm槽深，臺面厚度需不低于84mm，而20-30t重載場景下，需在此基礎上翻倍，才能滿足整體承重需求。
鏈式仿真能夠把鍛造殘余應力、組織繼承與淬火變形關聯起來，是提升此類鍛件工藝穩定性的有效工具。
從“模鍛仿真—熱處理仿真—現場驗證—批量固化”建立閉環，是汽車發動機關鍵鍛件質量優化的重要方向。
采用雙重時效工藝：先經550-600℃高溫人工時效，保溫 8-12 小時，快速釋放大部分鑄造應力；再進行18-24 個月自然時效，讓殘余應力緩慢釋放，確保平臺長期使用不變形、不翹曲，重載下仍能保持臺面平整。
粗加工：龍門銑床粗銑工作面與底面，去除大部分余量，預留 3-5mm 精加工余量，初步修正毛坯變形，保證整體輪廓規整。
采用雙重時效工藝：先經550-600℃高溫人工時效，保溫 8-12 小時，快速釋放大部分鑄造應力；再進行18-24 個月自然時效，讓殘余應力緩慢釋放，確保平臺長期使用不變形、不翹曲，重載下仍能保持臺面平整。
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殘余應力引發的偏光變色、應力開裂，尺寸偏差與應力雙折射導致的成像質量下降，以及注塑流態隱蔽缺陷等核心問題，不僅拉長產品上市周期，還大幅抬高生產成本，是制約行業發展的關鍵瓶頸，急需高效技術方案破解。
繼續進行第二仿真步，傳遞板子的預應力狀態；
預應力的傳遞方法在微信公眾號文章：“ansys分析中如何考慮殘余應力影響？”中提及了兩種方法，這里分別測試如下：
方法一：使用external Data模塊
首先，在步驟一初始板子變形，有正確應力分布的結果中，分別提取X、Y、Z、XY、YZ、ZX六個方向的法向應力和切向應力。
經過充分時效處理的平臺，其殘余應力去除率可達90%以上，確保在十年甚至數十年的使用周期中，平面度等關鍵指標依然穩定可靠。
2. 精和密刮研工藝
鑄鐵平臺的工作面通常采用傳統的人工刮研工藝。工人在平臺表面通過反復刮削，形成均勻的接觸斑點。根據精度等級不同，0級和1級平臺在每邊長為25毫米的正方形面積內，接觸點數不少于25點或20點。
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模擬與AI：優化設計決策的關鍵推手
冷卻通常占整個射出成型周期的70%-80%，也是造成殘余應力、翹曲和位移的主要原因。雖然異型水路（Conformal Cooling Channels，CCC）有助于緩解上述問題，但其水路配置便是一個涉及周期時間、溫度條件及可制造性的多目標難題。
