残余应力对变形的影响-残余应力基础理论及应用

1.3.1.1　残余应力造成的零件不良变形

当存在残余应力的零件受到外加载荷时，外加作用应力和残余应力的状况会使整个零件的变形受到影响。外加载荷所造成的残余应力的变化和变形如图1-11所示。在框架状零件（图1-11a）的截面上存在着如图1-11b所示的残余应力，对零件施加拉力F，截面a则呈现出残余拉应力。在铸造或焊接情况下，当工件之间有相互作用或者具有约束力时，都将呈现出这种状态的应力。下面介绍一下施加拉力时各截面的变形。当把材料看作理想弹塑性体时，则会表现出如图1-11d、e所示的应力-应变曲线。图1-11d表示截面a处的变形，图1-11e表示截面b、c处的变形，图中的0点表示负载为零时各自的残余应力。图1-11f为整体上外加载荷与伸长率的关系。当加载到1点时，截面a达到屈服强度，如图中曲线Ⅰ所示；当加载到2点时，截面a达到塑性状态，而截面b、c仍处于弹性状态；当加载到3点时，截面b、c也均达到塑性状态。因此，作为整体的变形就有如图1-11f所示的1、2、3的状态，形成曲线Ⅱ所示的变形过程。在此状态下卸载，残余应力就会减小乃至释放。图1-11c是从2的状态下卸载时的残余应力。对于具有此例所示残余应力的塑性材料，当加载到3点以后的状态时，整个截面都达到塑性状态，由此直至材料破坏的行为与不具有残余应力的构件是一样的，可以认为，此时残余应力是没有影响的。也就是说，对于塑性材料，残余应力仅影响全截面达到塑性变形以前的变形。

图1-11　外加载荷所造成的残余应力的变化和变形［6］

1.3.1.2　残余应力引入的有利变形

通常情况下，残余应力造成的变形对零件会产生不利的影响，可也有情况与此相反，工艺流程中会特意引入残余应力，从而造成变形以达成目的，这里以喷丸成形技术为例加以说明。喷丸成形是一种借助高速弹丸流撞击金属构件表面，引入残余应力使构件产生变形的金属成形方法，它是一种无模成形工艺，是大中型飞机金属机翼整体壁板首选的成形方法，其原理如图1-12所示。按照驱动弹丸运动的方式，喷丸成形分为叶轮式喷丸成形和气动式喷丸成形，两者没有本质区别；按照喷打方式，喷丸成形分为单面喷丸成形和双面喷丸成形，其中双面喷丸成形主要用于复杂型面构件的成形；根据喷丸成形时构件是否承受弹性外力，喷丸成形分为自由状态喷丸成形和预应力喷丸成形，其中预应力喷丸成形可以获得更大的喷丸变形量和更复杂的构件外形。

图1-12　喷丸成形原理示意图

喷丸成形工艺优点显著，包括以下几点：①成本低。无需成形模具，生产准备周期短，场地占用少，零件尺寸不受设备喷丸室大小限制等。②品质高。具有延长制件疲劳寿命，提高制件抗耐腐蚀性能的潜质等。自20世纪中叶以来，喷丸成形工艺被广泛应用于飞机尤其是运输机金属机翼整体壁板的成形，包括当前正在营运的所有空客客机系列飞机、波音客机系列飞机、庞巴迪客机等。目前，国内飞豹、枭龙、歼10、ARJ21等飞机机翼整体壁板也采用了喷丸成形工艺。因此，喷丸成形技术是大中型运输机金属机翼制造领域不可或缺的重大关键技术之一。(www.xing528.com)

在国外，自20世纪50年代初期将喷丸工艺应用于飞机机翼壁板成形以来至20世纪50年代末，喷丸工艺已被西方航空工业大国广泛应用，目前大型机翼整体壁板喷丸成形技术已经被美国金属改进公司和美国波音公司等少数几家公司垄断。伴随机床控制技术的进步，喷丸设备由过去的机械控制喷丸机发展到后来的数控喷丸机。此外，通过竞争兼并，已经形成高度垄断、大型、专业化、喷丸工艺及设备兼营的跨国集团公司喷丸成形设备供应商，如美国金属改进公司等。随着大型运输机机翼设计技术的发展，喷丸成形技术经历了带纵筋机翼整体壁板蒙皮类零件到不带筋条机翼整体厚蒙皮类零件和带曲筋机翼整体壁板类零件的喷丸成形等发展阶段。波音系列客机和空客系列客机的金属机翼整体壁板喷丸成形是喷丸成形技术成功应用的典型代表。

如图1-13所示，A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板长30余米、厚30余毫米，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。

在国内，喷丸成形技术开展研发已近40年，历经机械控制喷丸和数控喷丸等发展阶段，20世纪90年代以来进入数控喷丸成形时代，数控喷丸成形先后成功应用到第三代飞机的机翼整体壁板，以研制成功ARJ21飞机超临界外翼下翼面整体壁板（图1-14）为标志，国内首次实现真正意义上的喷丸成形。ARJ21支线飞机超临界外翼下翼面整体壁板长10余米、厚10余毫米，是国内采用喷丸成形工艺技术所获得的长度最长、厚度最大、外形最复杂的构件，被公认为国内喷丸成形技术最高成就。

图1-13　采用预应力喷丸成形的A380机翼下壁板

图1-14　ARJ21飞机机翼下中壁板零件

长期以来，国内外喷丸成形技术研发十分活跃，新手段、新方法相继出现，如以增大变形量为目的的不同大小弹丸同时双面喷丸、以控制喷丸区域和变形为目的的超声喷丸、以增加残余压应力层深度与残余应力大小为目的的激光冲击喷丸、以开辟喷丸成形新途径为目的的高压水喷丸、以显著提高材料利用率为目的的激光焊接与摩擦焊接带筋整体壁板喷丸成形等。喷丸成形的具体应用将在本书第7章的7.1.4节中讲到，这里不再赘述。