指导老师：左敦稳 教授
论文题目：航空铝合金厚板初始残余应力测试与调控方法基础研究
答辩委员会：
主席： 刘卫东 教授/博导 南昌大学
委员： 胡国良 教授/博导 华东交通大学
卢文壮 教授/博导 南京航空航天大学
陈明和 教授/博导 南京航空航天大学
孙玉利 教授/博导 南京航空航天大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
秦国华 教授/博导 南昌航空大学
秘书： 李 军 教授 南京航空航天大学
答辩时间：2020年12月14日09:00-12:00
地点：南昌航空大学M-611
学位论文简介：
随着航空制造业的发展，高性能的铝合金厚板因具有高耐腐蚀性、高强度、高韧性等特点而被广泛应用于飞机大型整体结构件的制造。然而，板厚的增加不仅加大了材料力学性能调控和残余应力消减的难度，同时也给毛坯初始残余应力的准确测量提出了新的挑战。本论文主要以航空用铝合金厚板为研究对象，从残余应力对加工变形的影响规律、应力的测量方法以及调控手段等几个方面展开深入研究。本文的主要研究成果包括：
（1）初始残余应力释放与加工变形研究
通过将材料的切削去除转化为残余应力的释放，利用静力平衡条件将作用于飞机结构件的残余应力等效为外力后，依据小变形理论建立了加工变形的分析模型。通过全面地考虑拉压、弯曲、以及转角引起的飞机结构件的厚向位置变化，利用叠加原理建立了残余应力再分布的力学模型，并通过实例进行了验证。
（2）裂纹柔度法应力测试误差分析研究
从裂纹柔度法的测试流程出发，利用数值仿真和切削实验相结合的方式，分析了应力计算误差的方向性规律，研究表明：基于勒让德多项式的裂纹柔度法计算的应力结果呈现出一种不完全对称的应力分布形式，且沿着切割方向误差呈震荡性减小。通过应力测试实验研究了试样在板材中所处位置对测试精度的影响，结果表明：板材中间区域应力相对于边缘区域，应力测试精度要更高，稳定性要更好。最后建立了应力-应变的相对误差数学模型，指出了应力计算误差跟系统矩阵的条件数有关，且应力拟合阶数越高，条件数也越高，应力计算误差也就越大。研究也同时表明：通过对系统进行初等变换可以改变系统的条件数，继而改变应力测试的精度。
（3）铝厚板残余应力测试方法的研究
通过单位力法理论建立了残余应力与加工变形的关系模型，并以应力释放对加工变形的影响规律以及单位力法原理为基础，分别构建了应力影响因子的解析式和有限元两种求解方法。分析结果表明：相对于解析方法，有限元法计算简单且不受零件结构的限制。以楔形零件为例，建立了应力反求模型，并分析了测量误差对应力计算误差的影响规律。最后，以条件数对应力计算的影响规律为基础，以减小应力计算误差、降低条件数为目标，设计了基于单位力的应力反求计算方法流程，并通过实例对该方法进行了对比验证。
（4）淬火残余应力形成机理及调控方法研究
利用ABAQUS软件建立了淬火工艺的热力耦合有限元模型，并通过实例验证了模型的正确性。分别从温度场和应力场分析了淬火残余应力产生的机理，结果显示：对流换热系数能够对淬火残余应力大小和降温速度产生较大影响，其中，对残余应力的影响主要集中在高温区，而低温区的降温过程不会对最终残余应力形成造成实质影响，由此提出了利用对流换热系数曲线来调控残余应力和降温时间的方法，通过该方法可以有效达到平衡残余应力和降温时间矛盾的目的。
主要创新点如下：
（1）通过解析的方法全面考虑拉压、弯曲、以及转角引起的飞机结构件的厚向位置变化，构建了加工变形分析模型和残余应力再分布模型，利用该模型能够从机理上分析残余应力和加工变形的关系，为加工变形的有效控制以及残余应力的反求计算提供了理论基础。
（2）从测试应力的方向性和抗干扰性两个角度分析了影响裂纹柔度法应力计算误差的规律，该规律对于提高应力的测试精度，分析测试误差大小具有很好的指导意义。
（3）提出了一种以单位力原理为基础，由加工变形反推铝合金厚板初始残余应力的求解方法。该方法相对于传统的应力测试方法，能够适应厚板甚至特厚板应力的测试，具有很大的实际应用价值。
（4）揭示了对流换热系数曲线对铝合金厚板淬火残余应力的影响规律，由此提出利用对流换热系数曲线来调控残余应力的方法，为淬火残余应力的工艺优化提供了理论基础。
