压口应力断料模型的有限元分析

论文摘要

在材料强度科学和断裂力学看来,裂纹是灾难,它使许多工程构件突然断裂,造成恶性事故。然而从开发裂纹的功利入手,利用裂纹扩展实现应力下料,出现了裂纹技术的新概念,在与机械加工技术的交叉结合上,开拓了一个新的技术领域。随着实践的不断深入和断料的多样性,对裂纹技术提出了新的要求。为了减少耗费在切口制备工序上的时间,提出了用压口代替切口的思想,本文的主要目的在于对压口应力断料的模型进行有限元分析研究,从而得出压口应力断料的合理设计参数。 讨论了压口断裂有限元分析的基本方法和分析过程,探讨了ANSYS软件的断裂分析和接触分析功能。讨论了压口应力断料的理论基础,以V型缺口问题为研究对象,讨论了应力强度因子的表达方式。 基于断裂力学和裂纹技术的现有成果,利用ANSYS软件强大的前处理功能建立了压刃、棒料的三维几何模型,并通过切割边界、智能分网、扫略分网等方法划分了符合需要的三维有限单元。针对应力断料实际,对各种几何参数条件进行了系统计算,通过计算,得到了可用于工程实际的计算结果。 采用“应力外推法”计算了应力强度因子,发现该方法的准确性同裂纹尖端的距离有关,通过计算确定了合适的距离。得出了压口根部的应力强度因子分布状态,确定了起裂点的位置,并计算了起裂点的动态应力强度因子。为了验证本方法的正确性,采用“1/4节点位移法”计算了部分应力强度因子,发现两种方法的计算结果接近。 确定了压口应力断料合适的设计参数。用无量纲应力强度因子作为设计依据,通过改变压口的各种几何参数,得出了无量纲应力强度因子的变化规律,据此确定了压口的设计参数。本文的研究成果为压口应力断料的工程应用打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 断裂力学和裂纹技术
• 1.2 课题的提出
• 1.3 课题的研究意义和研究现状
• 1.4 课题的理论依据和现有基础
• 1.5 课题的研究内容和和创新之处
• 第二章 三维弹性有限元分析的基本理论和ANSYS软件
• 2.1 引言
• 2.2 有限元法的基本思想
• 2.3 三维弹性有限元的分析过程
• 2.4 ANSYS的建模功能
• 2.5 ANSYS的断裂分析和接触分析功能
• 第三章 压口应力断料的理论基础
• 3.1 引言
• 3.2 平面裂纹问题的断裂理论
• 3.2.1 弹塑性力学的基本方程
• 3.2.2 弹性力学平面问题的基本公式和应力函数
• 3.2.3 平面裂纹问题的应力分量和位移分量
• 3.2.4 平面裂纹问题的应力强度因子和断裂准则
• 3.3 V型缺口问题的断裂理论
• 3.3.1 V型缺口问题的应力分量和位移分量
• 3.3.2 V型缺口问题的应力强度因子及断裂准则
• 3.4 三维裂纹的研究
• 3.4.1 轴对称三维问题弹性静力学基本方程组
• 3.4.2 非轴对称问题
• 3.4.3 三维裂纹的研究现状
• 第四章 压口应力断料模型的有限元分析
• 4.1 几何模型和有限元模型的建立
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 建立坐标系
• 4.1.3 划分网格建立有限元模型
• 4.1.3.1 网格划分的意义
• 4.1.3.2 solid45和solid186单元简介
• 4.1.3.3 ANSYS的网格划分功能
• 4.1.3.4 建立有限元模型
• 4.2 ANSYS求解及初步分析
• 4.3 应力强度因子
• 4.3.1 应力强度因子的意义
• 4.3.2 应力强度因子的计算方法
• 4.3.3 应力强度因子计算方法有效性的验证
• 4.3.3.1 1／4节点位移法的理论基础
• 4.3.3.2 生成3-D断裂模型
• 4.3.3.3 计算结果
• 4.3.4 压口根部的应力强度因子分布
• 4.3.5 动态应力强度因子
• 4.4 离面约束系数
• 第五章 压口参数设计
• 5.1 引言
• 5.2 无量纲应力强度因子的计算方法及有效性验证
• α（a／b）的影响'>5.3 压口尖端半径ρ对f_α（a／b）的影响
• 5.4 压入深度
• 5.5 压口张角
• 5.6 实验结果
• 第六章 本文总结和展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢