熱振是一種材料表面處理后的檢驗方法，通過對受檢試樣進行加熱并快速冷卻來測定鍍層的結(jié)合力。這種方法適用于評估基材和鍍層因熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的變形差異。
原理
熱振是一種典型的多場耦合問題，常見于航空發(fā)動機、核電站、高速飛行器等領(lǐng)域。這些結(jié)構(gòu)通常在高溫振動環(huán)境下工作，熱應(yīng)力和振動對結(jié)構(gòu)的剛度、應(yīng)力、頻率和壽命有著重要影響。因此，開展熱振作用下結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計研究至關(guān)重要。這種設(shè)計既要考慮熱控制，確保結(jié)構(gòu)具備適當(dāng)?shù)纳峄蚋魺嵝阅?，又要考慮振動控制，防止結(jié)構(gòu)處于工作頻率附近，避免共振現(xiàn)象。
研究領(lǐng)域
復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱振特性研究
復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如飛行器發(fā)動機燃燒室，因其構(gòu)型復(fù)雜、材料多樣、工作環(huán)境苛刻等特點，其熱振特性研究尤為重要。這些結(jié)構(gòu)常采用薄壁設(shè)計，材料參數(shù)非單一，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。在加熱過程中，由于不同部位受熱不均，表面會出現(xiàn)較大溫差，產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響動力學(xué)特性。此外，火焰筒結(jié)構(gòu)在溫度場作用下會發(fā)生熱變形，影響冷卻和燃燒效率，過高的溫度還會降低結(jié)構(gòu)橫向剛度，甚至可能引發(fā)結(jié)構(gòu)屈曲。因此，研究此類結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動特性對結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。
理論基礎(chǔ)
熱環(huán)境下的應(yīng)力描述
在已知瞬態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上，可以通過熱膨脹系數(shù)計算每一時刻各點的溫度初應(yīng)變。對于彈性體結(jié)構(gòu)，存在初應(yīng)變時，總應(yīng)變?yōu)闇囟瘸鯌?yīng)變和彈性應(yīng)變之和。熱應(yīng)力可通過彈性矩陣和總應(yīng)變之間的關(guān)系進行計算。
結(jié)構(gòu)熱剛度矩陣的形成
考慮溫度效應(yīng)時，結(jié)構(gòu)初始剛度矩陣會因材料彈性模量變化和熱應(yīng)力的存在而改變。在極端熱環(huán)境下，還需考慮幾何非線性影響。結(jié)構(gòu)的熱剛度矩陣可通過積分幾何矩陣和彈性矩陣來表示。
考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析方法
在穩(wěn)態(tài)溫度場下，無阻尼系統(tǒng)的自由振動方程可用于計算熱效應(yīng)下修正的熱剛度矩陣。
數(shù)值模擬
利用有限元分析方法，可以對結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動特性進行有效的數(shù)值模擬。以發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)為例，通過建立有限元模型，考慮不同工況下的溫度變化，可以得出結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。
研究結(jié)論
研究表明，沖壓噴氣發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)的熱振特性不僅受彈性模量變化的影響，還涉及熱應(yīng)力分布和幾何非線性因素。數(shù)值分析和實驗結(jié)果一致顯示，隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率下降，模態(tài)阻尼呈特定變化趨勢。此外，熱應(yīng)力和幾何非線性對模態(tài)振型的影響較小。
焊接構(gòu)件熱振復(fù)合時效的數(shù)值和試驗分析
海洋平臺建造過程中，焊接工作量大，殘余應(yīng)力問題突出。焊接殘余應(yīng)力會影響構(gòu)件的承載能力和疲勞壽命。目前，常用的局部熱時效法可能會引起組織和性能變化。因此，海洋平臺建造中開始探索采用振動時效調(diào)整焊接殘余應(yīng)力。然而，對于大剛度、共振頻率高的DH36厚板焊接結(jié)構(gòu)，常規(guī)振動時效設(shè)備難以達到共振頻率，效果受限。高頻振動時效技術(shù)雖適用于小尺寸或薄壁構(gòu)件，但在大剛度焊接構(gòu)件上的應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。
針對這一問題，提出了一種新的熱振復(fù)合時效(TVSＲ)方法。通過比較VSR與TVSＲ消應(yīng)力的效果，并結(jié)合試驗與有限元法探討了TVＳR的作用機制。
試驗結(jié)果及討論
試件模態(tài)分析
通過有限元分析，估算了試樣的固有頻率和振型。試樣在長度方向上做橫向彎曲振動，試樣中心的振幅最大。
振動時效(VSR)試驗
VSR設(shè)備的振動頻率范圍為0至100Hz，但由于試件固有頻率過高，VSR無法在固有頻率附近進行。最終選擇的激振頻率為92Hz，處理時間為30分鐘。殘余應(yīng)力測量結(jié)果顯示，橫向殘余應(yīng)力降低22.6%，縱向殘余應(yīng)力降低6.7%。盡管VSR在亞共振條件下進行了處理，但距離最佳效果仍有提升空間。
研究結(jié)論
針對大剛度厚板焊接構(gòu)件，提出了非共振條件下使用的熱振復(fù)合時效處理方法。通過試驗和數(shù)值模擬分析了其機理。TVＳR通過降低DH３６材料的彈性模量和屈服強度，提高了殘余應(yīng)力的釋放程度。55mm厚DH３６矩形焊件經(jīng)TVＳR處理后，橫向和縱向殘余應(yīng)力分別降低了41.3%和43.6%。
參考資料 >