双面压痕法用于 2024-T4 铝合金的残余应力工程

在航空航天、造船、能源工业以及广泛的机械工程领域，避免由缺口、狭缝和其他开口等应力集中源引发的疲劳失效是一项关键挑战。一种用于提高装配孔等集中部位疲劳抗性的有效技术被称为“双面压痕”（double-sided dimpling, DSD），该技术利用球形压头进行弹塑性压入，以产生局部压缩残余应力。若能对残余应力的产生机制进行恰当的量化与控制，该方法应能优化疲劳抗性。然而，目前对这些机制的理解尚不充分。本研究旨在通过深入理解并控制 2024-T4 铝合金板（俄罗斯标准 D16T）在双面压痕过程中残余应力的产生，从而推动残余应力工程的发展。研究采用了一种多管齐下的方法，将多种实验技术与有限元建模（FEM）及解析计算相结合。在实验方面，利用标准智能手机摄像头通过数字图像相关法（DIC）以所需的精度和分辨率测定了位移场。有限元模型模拟了由双面压痕诱导的残余应力状态，其结果与接触轮廓测量法、X 射线衍射（XRD）、数字图像相关法（DIC）以及电子散斑干涉法（ESPI）的实验数据吻合良好。此外，研究人员针对厚壁圆筒在内压作用下的变形问题（即自增强工艺，autofrettage），在弹塑性框架下提出了一种关于拉梅（Lamé）问题的新型解析解，随后进行了塞头插入的模拟。所提出的方法作为理性实验 - 计算相关性（Rational Experimental-Computational Correlation, RECC）的一个范例，使得通过参数优化实现残余应力工程成为可能，为增强工程部件抗疲劳失效的设计提供了一种有力的工具。

**双面压痕法在 2024-T4 铝合金残余应力工程中的应用研究解读**

在机械工程实践中，防止疲劳失效是核心任务之一。疲劳导致的失效在航空航天工业中占比高达 70%-90%，在造船业中使结构寿命缩短 40%-50%，并且是 67% 桥梁的主要寿命限制机制。总体而言，承重结构超过半数的失效与疲劳有关。疲劳失效过程可分为裂纹萌生与裂纹扩展两个阶段，而应力集中点（如孔洞、焊缝）的存在是裂纹萌生的主要原因之一。外部载荷下的循环应力若与制造阶段遗留的拉伸残余应力叠加，将加速裂纹的萌生与扩展；反之，压缩残余应力则能显著抑制这一过程。因此，残余应力工程的核心在于通过可控、可量化且高效的工艺，在关键部位引入有益的压缩残余应力。在众多方法中，双面压痕（DSD）技术因其能够产生深层且均匀的压缩应力场，且易于自动化，显示出优于传统冷挤压和喷丸处理的潜力。然而，目前关于 DSD 过程中残余应力形成机制的理解尚不充分，缺乏实验观测与计算模拟之间的理性关联，限制了该技术的精准设计与应用。基于此背景，研究人员开展了本研究，旨在建立 DSD 处理后的理性实验 - 计算相关性（RECC），深入解析 2024-T4 铝合金板在双面压痕下的残余应力演化规律，并开发相应的解析模型。该研究成果发表于《Results in Engineering》期刊，对于提升工程部件的抗疲劳设计能力具有重要的理论与工程意义。

为开展此项研究，研究人员选取了工业界广泛应用的沉淀硬化型铝合金 2024-T4（俄标 D16T）作为实验对象。研究团队设计了一套综合性的技术路线，融合了多种先进的实验检测手段与计算模拟方法。实验方面，利用液压加载装置对尺寸为 50×50×10 mm 的铝板进行双面球形压痕处理。为了获取高精度的全场位移数据，研究人员创新性地使用普通智能手机摄像头配合定制光源箱，实施了数字图像相关法（DIC）实验，通过三点运动学定位系统确保了压痕前后图像采集的一致性。同时，结合接触轮廓测量法获取表面形貌，利用 X 射线衍射（XRD）和电子散斑干涉法（ESPI）分别测量表面及近表面的残余应力分布，形成了多维度的实验验证体系。在计算模拟方面，研究人员基于 Abaqus 软件构建了考虑几何与载荷对称性的四分之一三维有限元模型（FEM），采用 von Mises 屈服准则及各向同性硬化规律描述材料行为，并通过网格收敛性分析确保了计算精度。此外，研究还引入了基于厚壁圆筒理论的弹塑性解析模型，试图从力学机理上阐释 DSD 过程中的应力重分布现象。

研究结果首先展示了表面形貌的高精度吻合。通过对比接触轮廓测量与 FEM 模拟结果，发现两者在压痕区域内的径向轮廓曲线高度一致，决定系数接近 1，均方根误差小于千分之一，证实了有限元模型在描述宏观几何变形方面的准确性。其次，在位移场与应变场方面，DIC 实验测得的全场位移数据与 FEM 预测结果在弹性区域（距压痕中心 7-16 mm 范围）内表现出极好的一致性，径向位移随半径增加而单调递减的趋势被准确捕捉。尽管在塑性变形剧烈的中心区域因散斑破坏导致 DIC 数据缺失，但通过 FEM 确定的弹塑性边界（约 10 mm 半径）为后续应力分析提供了关键依据。

在残余应力场的分析中，研究人员对比了 FEM、DIC 推导应力、XRD 及 ESPI 四种来源的数据。结果显示，除 ESPI 测得的环向应力因钻孔偏心等因素存在一定偏差外，其余方法在弹性区域内得出的径向与环向应力分布趋势高度吻合，最大偏差控制在 10% 以内。特别是 XRD 实测数据与 FEM 模拟结果在整个试样表面的对比中，进一步验证了模型的可靠性。基于此，研究团队深入探讨了平面应力假设的适用性，发现对于此类薄板结构，厚度方向的应力分量（σzz）远小于面内应力，从而为简化解析模型的建立奠定了基础。

最后，研究人员提出并验证了一种创新的“塞头 + 自增强”（plug+autofrettage, pAF）弹塑性解析模型。该模型将 DSD 过程类比为厚壁圆筒的自增强工艺，引入虚拟塞头概念来模拟压痕中心的塑性核心对周围材料的持续挤压作用。通过拟合实验数据确定卸载参数 k 后，该解析模型能够以极高的效率准确预测残余应力分布，其结果与 FEM 及 XRD 数据吻合良好。这一发现不仅揭示了 DSD 诱导残余应力的力学本质，即塑性核心作为内部压力源驱动周围弹性区产生压缩环向应力，更为后续工艺参数的快速优化提供了强有力的理论工具。

综上所述，本研究成功建立了针对铝合金双面压痕工艺的理性实验 - 计算相关性框架。研究证实，利用普通智能手机进行 DIC 分析是可行且高效的；FEM 模型能够精确复现复杂的弹塑性变形与应力状态；而新提出的 pAF 解析模型则为理解 DSD 机制及工程应用提供了简洁而深刻的物理图像。这些发现表明，通过优化工艺参数控制压缩残余应力场，可显著提升结构的抗疲劳性能，为航空航天等领域的轻量化与高可靠性设计提供了新的技术路径。