湛利華，陳　真

(中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

MSC.Patran二次開發(fā)在預(yù)拉伸消減淬火殘余應(yīng)力中的應(yīng)用

湛利華，陳真

(中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

摘要：以MSC.Patran為二次開發(fā)平臺，以Marc為求解器，充分利用PCL語言批處理命令的功能，通過制定自定義菜單和圖形界面，開發(fā)了鋁合金厚板殘余應(yīng)力分析軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力過程的前處理(幾何建模-網(wǎng)格劃分-邊界條件施加及淬火殘余應(yīng)力到預(yù)拉伸初始條件的映射-材料屬性定義)-分析-后處理等一系列工序的自動化和參數(shù)化.結(jié)果表明:該系統(tǒng)計算結(jié)果準(zhǔn)確，誤差率最大僅為8.5%，使用方便，大大提高了分析效率.

關(guān)鍵詞：MSC.Patran/Marc；二次開發(fā)；PCL；鋁合金；殘余應(yīng)力

0引言

熱處理是改善材料性能、充分發(fā)揮材料潛力的重要手段，鋁合金經(jīng)過熱處理可獲得很高的力學(xué)性能.淬火工藝雖然能夠大大提高鋁合金厚板的力學(xué)性能，但同時不可避免地使板材內(nèi)部產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力,而預(yù)拉伸可以有效消除厚板的殘余應(yīng)力,從而減小工件的變形，其消減機理是通過塑性變形,使厚板內(nèi)部彈性能得以釋放,消耗內(nèi)能從而降低內(nèi)部應(yīng)力.

研究預(yù)拉伸消減厚板淬火殘余應(yīng)力規(guī)律時，需要考慮厚板尺寸、固溶-淬火溫度、界面換熱系數(shù)、拉伸速率及拉伸量等結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的影響.傳統(tǒng)方法是通過重復(fù)操作建立多組模型，工作量較大，同時分析結(jié)果還會受到工作人員的個人理論水平和操作技術(shù)的影響，因此效率較低且容易出錯.通過Patran二次開發(fā)制定用戶自定義界面，分析人員只需在相應(yīng)的程序界面進(jìn)行操作，即可實現(xiàn)整個淬火-預(yù)拉伸過程自動化、分析參數(shù)化，工作效率得到大幅度提高[1-6].

PCL(Patran Command Language) 是一個高級模塊化結(jié)構(gòu)編程語言和用戶自定義工具, 其語法規(guī)則類似于C語言,是MSC.Patran系統(tǒng)不可或缺的組成部分，可用于生成應(yīng)用程序或特定的用戶界面,顯示自定義圖形、讀寫Patran數(shù)據(jù)庫,建立新的功能或增強功能[7].同時通過PCL的二次開發(fā), 其它商品化的自編分析程序可被集成到Patran中.一個完整的帶有用戶界面的PCL文件程序結(jié)構(gòu)包含一個類和若干個函數(shù).筆者基于MSC.Patran平臺,并以MSC.Marc為求解器開發(fā)的預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)，能夠快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)不同尺寸、不同系列的鋁合金厚板殘余應(yīng)力分析.

1設(shè)計方法

Patran在運行時, 所有的操作都會記錄在會話文件*.ses文件中[8]，會話文件中記錄的操作可以通過回放的形式重做,刪除不必要的語句，同時通過PCL語言嵌入變量、定義函數(shù),從而實現(xiàn)某些操作過程的自動化、參數(shù)化[9].參數(shù)化就是將那些原本固定不變的量(幾何尺寸、單元屬性、材料屬性、邊界條件等幾乎所有可以由用戶在 Patran界面上輸入確定的數(shù)值)用可以通過實時輸入的參數(shù)變量代替，通過定制界面改變這些參數(shù)變量的值就可以達(dá)到建立新的分析模型的目的[10].同時, 還可以通過PCL定制具有Patran風(fēng)格的菜單,創(chuàng)建良好的人機互動界面,將開發(fā)的程序集成于Patran系統(tǒng)中[11],提高用戶功能模塊的自動化程度,使其更具可操作性.

MSC.Patran中幾乎所有的窗體和控件都由PCL語言創(chuàng)建,其函數(shù)文件中包括init()和display()兩個函數(shù).還提供了一系列與表格位置與大小有關(guān)的參數(shù)和用戶界面可以直接調(diào)用的函數(shù),如[12]：

ui_menu_create(創(chuàng)建菜單)；

ui_label_create(創(chuàng)建一個標(biāo)簽)；

ui_form_create(創(chuàng)建一個用戶界面)；

ui_databox_create(創(chuàng)建數(shù)據(jù)輸入對話框)；

ui_botton_create(創(chuàng)建一個按鈕)等.

在窗體中輸入或選擇參數(shù)后,可以用ui_wid_get_vstring(),ui_wid_get()等函數(shù)使相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行傳遞,并在關(guān)聯(lián)的程序中使用.為此,筆者開發(fā)了預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)，用戶可以通過該系統(tǒng)方便地設(shè)置模型尺寸和材料參數(shù)，查看分析結(jié)果.

(1)手動操作實現(xiàn)淬火、預(yù)拉伸模型的建立，網(wǎng)格劃分,材料屬性,加載與約束設(shè)置，單元屬性、求解條件與參數(shù)等[9],該分析系統(tǒng)中需要調(diào)用多個不同的變量，而某些變量需在不同函數(shù)文件中被調(diào)用，需要將其定義為全局變量.

(2)通過PCL語言編輯手動操作各步驟過程中生成的會話文件,定義相關(guān)變量與操作函數(shù)，實現(xiàn)分析過程的自動化與參數(shù)化,格式如下[7]

CLASS menu form / * 類名* /

CLASSWIDE WIDGET item2, item3 / * 定義類范圍* /

FUNCTION init( ) / * 產(chǎn)生窗體或菜單* /

END FUNCTION

FUNCTION display ( ) / * 顯示窗體或菜單* /

END FUNCTION

FUNCTION callback( ) / *菜單或窗體按鈕的響應(yīng)函數(shù)*/

END FUNCTION

END CLASS.

(3)定制圖形用戶界面,Patran中表示控件大小和間距的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)在appforms.p文件中定義,在界面函數(shù)文件的開始部分使用#include "ap pforms.p"語句即可鏈接這些常用函數(shù)定義，同時通過C預(yù)處理程序p3pclcomp進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將“*.pcl”文件轉(zhuǎn)換為“*.cpp”文件[12].C預(yù)處理程序以如下形式運行：“cpp-I/path_to/customization source.pcl source.cpp”,編譯完成后的“*.pcl”集中在一起保存在安裝目錄下配置的p3 epilog.pcl文件里.筆者創(chuàng)建的預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)的圖形用戶界面如圖1所示.

2應(yīng)用實例

模擬實際生產(chǎn)情況,建立如圖2所示2124鋁合金厚板消減殘余應(yīng)力仿真模型，其中夾鉗材料選為鋼,拉伸梁為理想情況下不易變形的剛性體,并保持勻速運動向端部拉伸.尺寸為900 mm×200 mm×20 mm的2124鋁合金板進(jìn)行20 ℃水浴淬火后在500 MN預(yù)拉伸試驗機上進(jìn)行拉伸，拉伸鉗口夾持區(qū)為板厚的1.6倍[13]，剛體與夾鉗之間摩擦系數(shù)為0.2,夾鉗與厚板間摩擦系數(shù)為0.8[14].鋁合金板所采用的拉伸量為1.0%, 拉伸實驗機的拉伸速度為0.5 mm/s[13],此時,鋁合金厚板的殘余應(yīng)力不僅得到了有效的削減而且符合塑性變形理論以及航空鋁業(yè)的規(guī)定.

2.1模型參數(shù)設(shè)置

建立尺寸為900 mm×200 mm×20 mm的鋁合金板材模型,并分別設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為40，15，20，分別可以得到淬火溫度場模型、應(yīng)力場模型以及預(yù)拉伸模型.淬火殘余應(yīng)力場的結(jié)果作為預(yù)拉伸的初始條件導(dǎo)入模型中,其中應(yīng)力模型和預(yù)拉伸模型對應(yīng)的板材節(jié)點號不變.

2.2材料參數(shù)設(shè)置

在“材料參數(shù)”中設(shè)置各參數(shù),換熱系數(shù)為14 t/(s3·℃)，熱膨脹系數(shù)3.0×10-5℃-1，初始溫度為475 ℃,拉伸率1.0%,進(jìn)行分析計算,得到三組模型的分析結(jié)果.

在該分析系統(tǒng)中需要依次分析淬火溫度場、淬火應(yīng)力場和預(yù)拉伸三組模型，其結(jié)果文件需相互調(diào)用，系統(tǒng)按先后順序進(jìn)行分析，即前模型分析結(jié)束再開始下一個模型的分析.語句“analysis _submit_2( "MSC.Marc", "***_job1" )”能實現(xiàn)提交分析功能[10]，而使用語句analysis_submit ("MSC.Marc", "***_job1",true),在分析未結(jié)束的情況下，MSC.Patran會處于忙碌狀態(tài),無法進(jìn)行下一個分析,即可避免操作上的錯誤.

2.3分析結(jié)果查看

在“預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)”中的“查看分析結(jié)果”,可查看淬火和預(yù)拉伸在軋向和橫向的殘余應(yīng)力結(jié)果.當(dāng)需要研究不同拉伸量對殘余應(yīng)力消減規(guī)律影響時,只需要刪除MSC.Patran的工作目錄下預(yù)拉伸應(yīng)力場的相關(guān)文件,重新建立預(yù)拉伸模型,設(shè)置新的拉伸率,得到另一組拉伸率下厚板內(nèi)的殘余應(yīng)力.

圖3是厚板淬火殘余應(yīng)力和預(yù)拉伸殘余應(yīng)力的仿真比較曲線,分析可以看出,拉伸量為1.0%時,殘余壓應(yīng)力從135 MPa消減到55 MPa，拉應(yīng)力從79.3 MPa消減到24 MPa,消減率最高近70%.不難看出拉伸后殘余應(yīng)力分布均勻性變好,殘余應(yīng)力消減效果顯著.

3實驗驗證

為驗證本分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,筆者采用2124板材做試樣進(jìn)行實驗,利用空氣自然對流式電阻解熱爐，滿負(fù)荷功率為30 kW,在爐中將板材加熱至475 ℃,并保溫2 h至樣板加熱均勻,將厚板迅速平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到溫度為20 ℃的淬火槽中,進(jìn)行水浴淬火,并確保轉(zhuǎn)移時間盡量短，以降低時效，強化效果.淬火結(jié)束后采用中南大學(xué)500 MN臥式拉伸機,進(jìn)行1%拉伸量的預(yù)拉伸消減殘余應(yīng)力實驗,該設(shè)備便于拉伸時鋁材試樣的安裝，拉伸時動梁工作行程速度為0.5～1.0 mm/s,動梁返回行程速度為15 mm/s,拉伸速度可以連續(xù)調(diào)節(jié).測量殘余應(yīng)力實驗設(shè)備采用的是能準(zhǔn)確測量樣板表層殘余應(yīng)力的ixRD型便攜式X射線高速殘余應(yīng)力測試分析儀.

比較仿真與實驗測得的淬火后軋制方向和橫向殘余應(yīng)力,以及預(yù)拉伸后軋制方向和橫向殘余應(yīng)力曲線如圖4所示.

根據(jù)殘余應(yīng)力曲線,對鋁合金板材的軋向、橫向淬火殘余應(yīng)力以及預(yù)拉伸殘余應(yīng)力的實驗與仿真后的拉、壓應(yīng)力峰值消減率進(jìn)行對比分析,得到的結(jié)果如表1所示.

結(jié)果表明仿真和實驗之間的消減率誤差最大僅為8.5%,驗證了本分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.

4結(jié)論

(1)以MSC.Patran為二次開發(fā)平臺,以Marc為求解器,利用PCL語言開發(fā)了鋁合金厚板殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)軟件,該分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)厚板預(yù)拉伸消減淬火殘余應(yīng)力的建模、材料屬性定義以及網(wǎng)格劃分的參數(shù)化和分析過程自動化等功能.

(2)系統(tǒng)能迅速準(zhǔn)確實現(xiàn)厚板預(yù)拉伸消減淬火殘余應(yīng)力模擬,減少了大量重復(fù)工作,提高了工作效率,體現(xiàn)了分析系統(tǒng)的優(yōu)勢與實用性.

(3)本分析系統(tǒng)工作界面集成于Patran2010,風(fēng)格與Patran完全相同,且本分析系統(tǒng)易于操作和掌握,具有較大的實用價值和發(fā)展?jié)摿?

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Application Of PCL Based on The MSC.Patran in residual Stress Reducing by Pre-stretching

ZHAN Li-hua, CHEN Zhen

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:Pre-treatment (geometric modeling-grid-boundary conditions-material attribute definition)-analysis-post-processing are needed when the different plate sizes, solid solution, quenching temperature, thermal conductivity, stretching rate and other parameters are taken into consideration on the residual stress analysis. The mathematical model is set up for each set of parameters for analysis, repeating operation, the analysis efficiency is low. Based on MSC. Patran for secondary development platform, were based on Marc solver, make full use of the powerful features of the Patran command language, by making the custom menus and graphical interface, can submit automatically parameterized modeling, analysis, and read the result of analysis. The aluminum alloy thick plate residual stress analysis software system is developed. The results show that the system calculation results are accurate, convenient and practical, and the efficiency is improved greatly.The error limit is 8.5%.

Key words:MSC.Patran Marc; secondary development; PCL; aluminum alloy; residual stress

中圖分類號：TG166.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.004

文章編號:1671-6833(2015)02-0014-04

通信作者：陳真(1989-),男,碩士研究生,主要從事材料成型及控制方向的研究,E-mail:1820041946@qq.com.

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB619504)

收稿日期:2014-09-28；

修訂日期：2014-12-10