大型復雜構件制造過程殘余應力演化與調控

姜建堂，孟金奎，董亞波，賴小明，邵文柱，張 豪，甄 良

(1. 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001；2. 金屬精密熱加工國防科技重點實驗室，哈爾濱 150001； 3. 北京衛星制造廠，北京 100094；4. 江蘇豪然噴射成形合金有限公司，鎮江 212000)

0 引 言

近年來，空間站、深空探測、大飛機等空天裝備研制任務持續增加，總體設計對其中關鍵分系統形位精度及可靠性要求也快速提高[1-2]；此外，因服役環境下冷熱循環效應顯著，空天裝備在長期服役過程中其分系統穩定性也面臨嚴峻考驗[3]。上述兩方面設計指標的實現要求分系統中發揮承載、定位、作動等關鍵功能的構件具備高的形位精度和形位穩定性。為了滿足多向承載的要求，這些構件多為框環、復雜殼體及支架類結構，外廓厚大、截面多變且結構復雜；另一方面，為滿足輕質、高強、高形位精度的綜合要求，此類構件多采用超高強鋁合金以“厚大坯材-熱處理-機加工”的技術路線制造[4]。因坯材厚大、工序復雜且切削量大，坯材殘余應力較高且重分布效應強烈，因此該類構件存在極易發生制造變形以及成品構件殘余應力過高等問題[5-7]。這種狀況直接影響構件的形位精度和形位穩定性，從而嚴重制約構件制造效率及可靠性的提升。已有研究[4-5]證實，大型復雜構件的形位精度與穩定性分別由制造、服役過程中坯材/構件殘余應力演化及變形響應決定，且二者同步演化、相互耦合。因而，發展可靠的殘余應力預測技術、掌握其演化規律并形成相應調控技術，對于消除制造變形、實現大型復雜構件的低應力、高精度制造十分必要[6,8-9]。

本文歸納了殘余應力的基本類型及各尺度下殘余應力演化行為的仿真方法，概述了殘余應力形成、演化及其調控技術的研究現狀。以機械臂基座本體淬火過程為例，通過有限元仿真分析了大型復雜構件制造過程殘余應力演化行為；以模壓法消減殘余應力為例，闡述了工程應用常見的殘余應力調控技術。最后，對大型復雜構件制造全過程殘余應力演化與調控技術的發展和應用進行了展望。

1 殘余應力

殘余應力是當物體沒有受到外載荷作用時，其內部平衡存在的內應力，是材料/構件的固有屬性。殘余應力具有強烈的尺度相關性和結構敏感性，是所選區域內忽略了更小尺度振蕩的平均值，且隨約束變化即時改變。非彈性加工工藝及熱過程，例如鑄造、焊接、切削、冷變形等以及淬火、時效等，均會引發應變不相容并從而導致應力演化；演化過程受阻停止時殘留應力即為殘余應力[10,12-13]。

1.1 殘余應力的分類

Macherauch等[11]最早將殘余應力分為宏觀殘余應力(I類殘余應力)和微觀殘余應力(II類和III類殘余應力)。宏觀殘余應力是指在宏觀范圍內分布的殘余應力(I類殘余應力)，其大小、方向和性質可用通常的物理或機械的方法進行測量[12-14]。與宏觀殘余應力相對，微觀殘余應力是指顯微范圍內的殘余應力，根據其作用范圍可細分為微觀結構殘余應力(II類殘余應力)和晶內亞結構應力(III類殘余應力)。王海斗等[12]和高玉魁[14]對于三類殘余應力各自分布尺度總結成表1。不同尺度的殘余應力之間存在強烈的耦合關系。一般而言，構件變形是宏觀殘余應力演化行為的形位響應，而材料組織性能的變化則與微觀殘余應力關系密切。因此，殘余應力成為構件形性控制中的活躍因素之一。

表1 殘余應力類型及相應尺度[12,14]Table 1 Types of residual stresses and the corresponding scales

1.2 制造過程的殘余應力

塑性成形、熱處理、焊接是構件制造過程的常見環節。本節以此三種典型的材料加工過程為例，分析各自殘余應力的產生和特點。

1) 塑性成形殘余應力：軋制、模壓等塑性加工過程中材料發生不均勻塑性變形，由此產生的殘余應力可定義塑性成形殘余應力。影響塑性成形殘余應力因素主要包括變形溫度、變形環境、變形速率等。

2) 熱處理殘余應力：當材料在熱處理過程其內部各部分的形狀和體積發生不均勻變化，則會產生熱處理殘余應力。熱處理殘余應力的成因包括：材料急冷時，材料表層和心部由于冷卻速度不同存在溫差而產生熱應力[14]；部分材料在熱處理過程中發生相轉變，因各相的比容差引起相變應力；熱應力與相變應力的疊加致使材料內應力超過屈服強度時，材料發生塑性變形。由于塑性變形不能回復，當內應力再平衡時，材料內產生殘余應力。

3) 焊接殘余應力：構件焊接后殘余在構件內部的焊接應力稱為焊接殘余應力。焊接殘余應力的主要來源：焊接過程中不均勻的加熱/冷卻帶來的不均勻的塑性變形；焊接過程組織相變造成的比體積變化；焊接前的加工狀態以及焊接時的夾持狀態造成附加應力[13-14]。

上述三種易誘發殘余應力的制造工序中，熱處理通常位于制造過程的后端，其實施可以部分消除構件在塑性加工、焊接過程中形成的殘余應力，但又可能會產生新的殘余應力、并進而影響后續的機加工過程及服役行為。可見，熱處理過程殘余應力的演化十分復雜、影響最為活躍，是構件殘余應力控制的關鍵。

2 殘余應力的多尺度仿真

殘余應力演化過程復雜、結構敏感，僅依靠測試難以實現其演化行為的定量描述和系統分析。計算機仿真技術的發展為殘余應力演化行為的研究提供了新的思路。近年來，多尺度仿真計算已經得到了很多學者的關注。多尺度仿真方法適用的范圍如圖1所示，其中有限元方法應用于宏觀尺度、晶體塑性有限元法用于介觀尺度、分子動力學方法用于原子尺度。圖1還給出了量子力學尺度上的仿真方法，由于殘余應力演化行為的仿真不涉及該尺度，因此下文不作贅述。通過多尺度仿真方法的聯合應用可將材料的納觀、微觀機理與構件及宏觀響應行為關聯起來、從而實現殘余應力及其衍生效應的跨尺度分析，代表著殘余應力演化及其形性響應行為研究的發展方向。

圖1 多尺度仿真方法的空間特征及相應尺度[15]Fig.1 Spatial characteristics of multi-scale simulation methods and their corresponding scales

2.1 通用有限元仿真

構件的制造過程涉及材料的彈塑性變形，受材料性質、外加載荷、溫度及工藝參數等諸多因素影響。該過程涉及幾何非線性、材料非線性、邊界非線性[13]，僅憑經驗難以預測加工后的殘余應力、應變等，借助通用有限元軟件(ANSYS、ABAQUS、MSC.MARC等)進行材料制造過程仿真是目前科研和工業領域最普遍和有效的手段之一。

通用有限元軟件模擬構件制造過程可概況為三個模塊：1) 前處理，包括幾何模型建立、定義單元類型、網格劃分；2) 有限元求解，包括定義分析類型、約束條件、載荷、邊界條件和計算應力、應變等；3) 后處理與分析，將計算結果輸出并進行分析。

2.2 晶體塑性有限元法

材料的組織和結構決定了材料的塑性變形能力，而材料的塑性變形過程又會影響材料的微觀組織結構，僅從材料的本構模型出發進行通用有限元仿真不能深入理解材料的塑性變形行為。晶體塑性理論充分考慮了材料的晶粒組織特性和變形機理、從介觀尺度上研究與塑性變形理論相關的微觀變形機制，因此可以補充常規數學塑性模型(例如通用有限元模擬宏觀殘余應力所采用的本構模型)的不足[16]。晶體塑性有限元法將晶粒塑性理論與有限元仿真相結合，用于模擬材料的微觀結構以及由滑移、孿生引起的材料力學響應[17]。因此，借助晶體塑性有限元法能夠獲得晶粒尺度上的殘余應力分布，這對于研究與微觀殘余應力密切相關的裂紋萌生、擴展等行為有重要意義。

2.3 分子動力學法

分子動力學方法可用于模擬微納尺度的殘余應力，例如，納米壓痕過程中單晶銅表面殘余應力模擬[18]、微細電火花加工過程、蝕除機理及最終殘余應力模擬[19]、微納構件的納劃刻過程及劃刻后拉伸過程的殘余應力演化模擬[20]等。

3 大型復雜構件殘余應力形成與演化行為

殘余應力起源于制造過程中熱/力過程的不一致性，是坯材/構件的固有屬性，其形成、演化及由此衍生的變形響應貫穿構件整個壽命周期[13-14, 21]。由此可見，殘余應力成為影響構件形位精度及形位穩定性的主要原因，殘余應力平衡狀態改變成為構件變形的直接驅動力。在影響殘余應力形成、演化及其變形響應的諸多因素中，構件的規格、結構特征是最為活躍的因素。熱處理時大規格復雜構件溫度差異大、熱應力強烈，易形成高的殘余應力；在其機加工過程中，因材料去除量大，殘余應力的重分布效應強烈、變形累積顯著。為此，殘余應力預測及變形控制對大型復雜構件的研制尤其關鍵。

本節結合制造工序概述了殘余應力演化行為國內外研究現狀，并以機械臂基座本體的制造過程為例簡述了大型復雜構件中殘余應力演化仿真分析的結果。

3.1 殘余應力演化行為研究概述

殘余應力在構件內分布的復雜性和制造-服役過程的遺傳性決定了數值模擬方法在殘余應力/變形控制研究中的重要性。Mackerle[22]總結了近年來關于淬火過程有限元模擬的研究成果，明確了有限元分析在熱處理應力/應變預測與過程分析中的重要地位。Aksel等[23]與Ramakrishnan等[24]利用數值仿真方法研究了鋁合金坯材淬火過程殘余應力的演化行為。李大峰[25]利用ANSYS軟件，采用準耦合法對7075鋁合金板淬火過程進行了有限元仿真，揭示了淬火過程中溫度場變化及殘余應力形成規律。Younger等[26-27]針對7075和6061鋁合金坯材淬火過程殘余應力演化行為的研究表明，淬火殘余應力與材料厚度近似成線性正比關系。針對構件坯材淬火過程殘余應力的演化行為，Withers等[28]利用有限元軟件建立了淬火仿真模型對7050鋁合金淬火過程殘余應力演化過程進行了系統分析，并比對測試結果驗證了仿真預測的可靠性。廖凱[29]以7075鋁合金厚板為載體，分別通過有限元仿真和實驗測量得到了殘余應力的分布特征；該研究表明厚板淬火殘余應力沿著厚度方向呈拋物線分布，表面受壓應力且梯度較大、心部受拉應力且變化平緩。

多數鋁合金構件淬火之后即進行時效處理，此工序下構件殘余應力因材料蠕變而發生變化。為此，很多研究者[8,30]在淬火應力研究的基礎上，基于蠕變行為的研究將殘余應力演化研究延伸到了時效階段。董亞波[8]研究了時效過程中2024鋁合金淬火殘余應力演化行為，該研究表明在140～170 ℃進行時效處理時構件淬火殘余應力隨著時間增加逐漸下降，殘余應力在0～15 h內下降較快、此后趨于穩定；在140 ℃下時效12 h，構件中心截面處的表面殘余應力下降約30 MPa。

熱處理過程中形成的殘余應力在后續的機加工過程中會因為約束變化而發生重分布，最終殘留的應力即成為成品構件殘余應力。Li等[31]分析了切削深度對殘余應力重分布的影響，發現切削深度不同時殘余應力重分布特性不同、最大殘余壓縮應力所在位置也不同；切削深度越小，殘余壓應力的峰值越靠近表面。Cerutti等[32]分析了機加工去除序列對構件殘余應力演化行為的影響，該研究表明，坯件余量完全去除后不同加工序列下構件應力分布無顯著差別，但在機加工過程中構件變形有顯著差別。Yang等[33]針對7075鋁合金構件機加工殘余應力演化及變形問題進行了研究，證實坯材淬火殘余應力是導致機加工變形的主要原因；在選定構件中由于殘余應力釋放和重分布誘發的變形最大可達3.77 mm。

以上研究表明，國內外研究者通過仿真和實驗方法對構件淬火過程中殘余應力演變行為及其影響因素進行了較為充分的研究，針對坯材在后續機加工過程中殘余應力演化/變形響應也進行了研究。然而，截止目前貫穿制造全過程進行殘余應力演化行為分析的研究開展尚少。

3.2 典型構件制造過程殘余應力演化

構件的殘余應力伴隨著構件加工制造過程的各個階段，并延伸至構件的使役過程。了解殘余應力在構件加工各階段的演變對于構件殘余應力的調控極為重要。現以機械臂基座本體淬火過程為例，通過有限元仿真分析大型復雜構件制造過程殘余應力演化行為。

如圖2所示為某機械臂基座本體坯件淬火過程仿真獲得應力場云圖。仿真分析表明，20oC水淬初期構件表面產生高達270 MPa的拉應力、淬火終止時殘余的壓應力約為210 MPa；心部產生高達70 MPa的壓應力、淬火終止時殘余拉應力約為215 MPa。在棱角、筋板交界等位置應力集中效應強烈，個別位置應力水平較平直位置高約100 MPa。淬火水溫提高到80oC時[8]，坯材表面與心部應力性質及其變化的規律基本相同，但是應力水平顯著降低。此時，基座本體坯件的表面壓應力低于85 MPa、心部壓應力不超過70 MPa；淬火結束時，構件非應力集中位置殘余應力不超過55 MPa。

圖2 機械臂基座本體坯件經水淬至不同時刻時的應力場Fig.2 Stress field of blanks of base body of manipulator after water quenching for different durations

針對上述研究中結構突變位置應力應力集中的問題，對坯材典型位置(如圖3，位置1)的殘余應力進行了追蹤和分析。如圖3所示，20℃水淬時，該位置溫度下降很快、15 s內即降到水溫；熱致拉應力在約1.5 s內達到峰值，約210 MPa，隨后快速下降至約65 MPa；此后，隨著時間延長應力水平持續回升、最終在表面殘留約210 MPa拉應力。而80℃水淬降溫緩慢，應力集中不顯著；冷卻至室溫時表面層形成約100 MPa的殘余拉應力。

圖3 機械臂基座本體坯件結構突變位置溫度和應力演化Fig.3 Temperature and stress evolution process of structural abrupt positions in the blanks of base body of manipulator

可見，與平面位置相比，結構特征突變位置在淬火過程中經歷強烈的應力演化過程，最后在表面形成強烈的殘余拉應力。該應力突變是構件淬火過程中結構特征突變位置容易開裂的主要原因。升高淬火水溫可以顯著降低結構突變位置應力集中強度和應力殘余效應。

3.3 制造過程殘余應力演化仿真平臺

基于工藝仿真可以對淬火、模壓、機加工等關鍵工序下構件殘余應力的變化進行可靠的預測。但是，考慮到構件制造過程中的連續性以及殘余應力全過程遺傳的特性，僅就單個工藝進行仿真不足以支撐構件制造變形分析以及制造策略的優化[4]。為此，研究者開發了涵蓋構件制造全過程的工藝仿真平臺、通過模型集成對構件制造過程中的殘余應力及形位變化進行追蹤和分析，形成構件殘余應力/形位控制的技術基礎[34-37]。美國鋁業公司開發了基于GUI的集成軟件平臺，將構件制造過程各工序有機串聯以預測構件制造全過程中殘余應力演化與變形響應[34-35]。該仿真平臺已經應用于F35機身7085鋁合金隔框等關鍵構件殘余應力/制造變形的預測，支撐了其制造策略的優化。

圖4 構件制造全過程殘余應力演化與變形響應預測平臺[34]Fig.4 Simulation platform for predicting residual stress evolution and distortion response in the whole manufacturing process

哈爾濱工業大學基于模型間的數據傳遞對淬火、預拉/冷壓、時效/冷熱循環、機加工等工藝進行了集成，搭建了涵蓋全過程制造工藝的仿真體系及殘余應力/變形分析平臺[36]。該平臺集成了本構關系讀入、熱物參數讀入、前處理、過程加載、數據提取與分析等模塊，分析對象不僅涵蓋淬火、冷熱循環、時效、模壓、機加工、裂紋柔度法/輪廓法測試等關鍵工序，還可對制造全過程進行串聯仿真。

4 大型復雜構件殘余應力調控技術

坯材中殘余應力的不當釋放所導致的等效彎矩可能易誘發超差變形；成品構件殘余應力過高時，其緩慢釋放則容易誘發服役變形。可見，構件制造變形和殘余應力水平分別影響其形位精度和服役過程中的形位穩定性，二者對制造過程的要求存在顯著差異。因此，殘余應力調控是實現形位精度及穩定性控制的關鍵。

4.1 殘余應力調控技術概述

殘余應力通常會對構件的尺寸精度、尺寸穩定性、疲勞性能等帶來不利影響。因此，有必要對制造過程中的殘余應力進行調控。殘余應力消減和加工策略(例如機加工去除序列、焊接路徑與次序)優化是構件殘余應力演化與調控技術的主要手段。通過優化加工策略調控構件制造過程殘余應力的方法與構件的結構、加工類型密切關聯，需要結合實例進行針對性分析。本文重點從殘余應力消減出發，概述構件制造過程殘余應力調控技術。

美國鋁業公司Watton等[34-35]就各工序內殘余應力的演化進行單工序分析，從而確定了殘余應力的控制因素、闡明演化的規律和機理。該研究中的工藝仿真表明，以“水淬→時效→模壓”的工藝路線替代碳酸鹽水溶液淬火工藝，可顯著降低7085鋁合金坯材的殘余應力并保證其強韌性。該團隊通過熱處理工藝優化將F35戰斗機機身隔框用7085-T74鋁合金坯材的殘余應力由傳統工藝下的±230 MPa大幅度降低到±70 MPa，為隔框變形控制打下了良好的基礎[35]。南京林業大學Wei等[9]將初始殘余應力文件導入加工零件中進行仿真，強調了初始殘余應力狀態對機加工變形的影響，提出通過優化熱處理工藝來減小初始殘余應力、實現變形控制的方法。哈爾濱工業大學與北京衛星制造廠合作，開展了2A14鋁合金坯材殘余應力控制技術的研究。仿真分析表明，淬火水溫從20 ℃提高到 80 ℃時，2A14 鋁合金坯材的淬火殘余應力降低約70%，而強度僅降13%[8]。這表明提高淬火水溫能夠顯著降低淬火殘余應力；該研究同時發現，淬火水溫過高時時效強化效果降低[8,38]，因此殘余應力控制與組織性能調控必須協同進行。此外，該團隊基于仿真預測對關鍵工序進行優化，在滿足強塑性要求的情況下將坯材殘余應力消減至± 40 MPa以內。因采用該低應力坯材，某SADA支架的制造變形降低1個量級[38-40]。

通過冷熱循環在構件局部引入塑性變形也可以消減淬火殘余應力。美國材料與試驗協會研究了鋁合金構件殘余應力在冷熱循環下的演變行為，結果表明經液氮深冷處理-170 ℃高速蒸汽反淬火處理后，淬火殘余應力降低至20%[41]。董亞波等[8,39]以液氮為低溫介質，170 ℃的二甲基硅油、187 ℃的高速蒸汽以及沸水分別為高溫介質，對冷熱循環過程中殘余應力的演化進行了仿真分析。其研究表明淬火態2A14合金試樣經液氮冷卻、187 ℃高速蒸汽中反淬火后淬火殘余應力下降120～130 MPa。反淬火過程中試樣內部的溫度梯度是消減殘余應力的關鍵因素；試樣與介質的換熱系數越高、構件中溫度梯度越高，則殘余應力消減效果就更加顯著。

在淬火工藝受限、淬火殘余應力無法有效消除的情況下，冷變形成為消除淬火殘余應力最有效的途徑。事實上，冷變形是目前各坯材/構件制造商廣泛采用的殘余應力消除技術。Robinson等[42]對淬火態7749鋁合金厚板進行了不同變形量的預拉伸和壓縮試驗，發現變形量是影響應力消減效果的重要因素；變形量為2%時殘余應力降低至10%。廖凱[29]和張舒原等[43]對鋁合金厚板預拉伸消減殘余應力的工藝進行研究，分析了拉伸量、夾具等因素的影響，發現預拉伸量在2%～3%時殘余應力的消減效果最好、且坯材仍保持良好的機械性能。該研究還表明，淬火態2A14鋁合金板材預拉伸2.7%時厚板的殘余應力從-312～174 MPa降低到-54～34 MPa；殘余應力分布形式同時發生變化、在厚度方向出現波動。目前，預拉伸去應力技術已經廣泛應用于低應力鋁合金厚板的批產并取得良好的效果。

盡管殘余應力消除效果顯著，但是預拉伸無法應用于變截面的鍛件。為了解決這一問題，研究者建立了通過模壓引入塑性變形來消減鍛件淬火殘余應力的技術體系。例如，Tanner等[44]建立了7010鋁合金鍛件壓縮消減淬火殘余應力的模型，系統分析了壓縮量、摩擦系數的影響；該研究發現當壓縮量為1%時，鍛件表面殘余應力顯著降低，而心部仍處于較高的應力狀態；而當壓縮量為2%～3%時，整個鍛件中殘余應力消減效果較好；壓板與構件的摩擦系數越大，構件表面和心部的應力值越高。董亞波[8]針對復雜坯材模壓去應力過程開展了仿真分析、并進行了試驗驗證。其研究表明，模壓量、摩擦系數、模具型面、坯材熱處理狀態對淬火殘余應力消減效果均有重要的影響。對所選2A14鋁合金坯材，模壓2%時殘余應力消減效果良好；模壓量過大時局部位置出現應力集中和殘留、消減效果降低。該研究還認為，模壓應在淬火后盡快進行；如發生時效、屈服強度增大則模壓去應力效果弱化。各工藝選擇得當時，構件殘余應力可消減到40 MPa以內。

近年來，通過振動時效消減殘余應力的研究也取得快速發展。沈華龍[45]和郭俊康[46]研究了鋁合金厚板的振動時效工藝；該研究發現淬火態7075鋁合金板材經振動時效后沿板材縱向的殘余應力消減了29.22%，而橫向殘余壓力消減了14.51%。該團隊還研究了振動時效對鋁合金厚板疲勞性能的影響，發現振動時效后厚板的疲勞性能下降。可見，通過振動時效進行殘余應力調控時必須考慮其疲勞損傷效應。此外，考慮到激振的要求，厚大規格構件采用振動時效方法消除應力效果顯著；而長/寬尺寸較小的構件振動時效去應力的效果下降。

4.2 制造過程殘余應力調控示例

如前所述，通過預拉伸去除厚板殘余應力處的技術難以應用于變截面鍛件。有研究者針對該難點問題進行了研究；本節以工字型材這一典型構件的模壓去應力過程為例介紹變截面坯材中通過冷變形消減淬火殘余應力的方法[47]。2024鋁合金工字型材結構及模壓過程應力云圖如圖5所示。模壓處理之前對厚板進行固溶處理。

圖5 工字型材模壓法消減殘余應力[47]Fig.5 Reduction of residual stress by I-section molding

圖6為不同模壓量模壓后試樣應力分布圖。可見四種工藝模壓后試樣的殘余應力均顯著消減。對比發現，模壓量為1%時殘余應力消除效果最優，此時構件中80%區域其殘余應力低于±70 MPa；模壓量為2%時殘余應力低于±70 MPa的區域降至約60%；比較圖6(a)與(e)可見，各區域選擇不同模壓變形量時與整體壓下1%時效果相似。該研究表明，當模壓量為1%時，淬火殘余應力消除效果較好；在截面厚度差異大的構件中，根據各區域位置厚度設置不同模壓量可獲得良好效果。

圖6 不同模壓量下工字型材應力分布百分比圖[47]Fig.6 Percentage distribution of I-shaped profile stress under different compression amounts

該研究證實了在復雜構件中通過模壓變形消減淬火殘余應力的可行性，同時也揭示型面、壓下量等參數的強烈影響。因此，如何協同考慮結構因素的影響，兼顧淬火過程應力殘留小、模壓過程中變形分布均勻兩方面的要求成為模壓去應力中的難點問題。除上述高筋結構之外，在超大型構件分段模壓區段交界位置同存在強烈的應力集中效應。該類問題解決需要綜合考慮淬火、模壓對坯材結構的要求，基于殘余應力仿真預測結果建立結構優選準則。相應研究正在快速發展之中。

綜合上述研究，殘余應力消減技術主要集中于熱處理、冷變形以及振動時效。這些技術各有優勢，但均需要密切結合坯材的結構特征、尺寸以及組織性能控制要求進行選擇。如何針對結構特征和制造技術要求選擇方法、制定工藝是殘余應力消減的關鍵，相關研究多需結合仿真分析進行。

5 總結與展望

受大型復雜構件制造過程殘余應力演化及調控技術需求的驅動，許多大學和研制單位開展了殘余應力/形位控制技術的研究；計算機仿真成為殘余應力演化描述和分析的最有效的手段，有力支撐了應力演化過程重現和分析。研究表明，通過坯材結構、熱處理工藝調整及去應力處理均可對殘余應力形成與演化進行控制，有效降低殘余應力、規避變形風險。但是，截止目前殘余應力/形性協同控制技術仍欠系統。首先，考慮殘余應力控制時進行的工藝調整可能會影響組織性能，兩者之間如何協同需要進一步研究；其次，能夠涵蓋制造全過程的仿真平臺尚在發展之中，相應數據庫及模型體系尚待充分驗證。總體而言，國內關于大型復雜構件制造殘余應力演化與變形響應的研究方興未艾但任重路遠。

鑒于復雜構件制造難度的快速提升以及未來向全過程智能制造、全壽命周期管理等方向的發展，未來關于大型復雜構件殘余應力演化與調控技術的研究值得從以下兩方面展開：

1) 組件全壽命周期殘余應力演化行為與調控技術。組件全壽命周期殘余應力演化研究不僅需要考慮單個構件的殘余應力演化，還需要考慮構件之間的裝配關系和相互作用，相應的殘余應力演化及變形響應十分復雜。在此背景下，基于制造全過程的工藝仿真開展組件全壽命周期殘余應力演化行為的研究成為服役特性預測和可靠性評估的必要基礎。因此，組件殘余應力演化行為與調控是殘余應力/形性協同控制技術的重要發展方向。

2) 全過程制造策略的自主優選。全過程制造策略的自主優選是指通過仿真手段對關鍵制造工序單獨建模、試算形成工藝序列樣本，借助人工神經網絡等方法進行擴展預測，形成涵蓋廣泛的加工工藝序列數據庫；在此數據庫建立的基礎上，基于遺傳算法構件優選方法對坯材加工工藝序列進行優化，最終實現熱處理工藝路徑的智能選擇。