滚压强化变形及残余应力的数值仿真

论文摘要

表面滚压是一种提高构件、零件疲劳强度的非常有效的塑性强化方法。塑变强化提高疲劳强度的两个主要因素是强化表层发生了加工硬化,且形成了残余压应力,可以抑制裂纹的产生及扩展。滚压强化后工件的变形及残余应力同滚压工艺参数密切相关,传统的实验研究不但需要耗费大量的人力财力,而且对于大尺寸试件残余应力也很难测量。所以利用数值仿真技术来预测滚压后的变形及残余应力分布,对于滚压工艺参数的优化及疲劳寿命的预测具有重要的意义。由于对滚压强化过程的仿真是集材料非线性,几何非线性和接触非线性的高度非线性问题,已有的模型分别对工件、滚轮/滚球运动、维数、接触进行了不同程度的简化。在这些模型中有的对工件简化过多,有的忽略了摩擦和滚轮/球的滚动,还有的将滚压过程简化成二维模型,而且都只研究了单圈或不足一圈的滚压过程。这些简化往往导致了计算精确度的下降与计算结果的失真。基于此,本文在总结前人研究成果的基础上,通过有限元软件Marc对圆棒表面滚压强化工艺进行了数值仿真研究,主要包括以下几个方面内容:(1)建立了圆棒试件表面强化过程的力学模型,采用弹塑性大变形有限元分析方法对其进行了数值仿真,获得了与实际一致变形结果,为滚压强化后变形的预测提供了必要的依据。(2)深入分析了建模过程中建模参数(进给模式、边界条件、接触设置、网格划分、建模对象等)对残余应力分布的影响,并通过对建模方法的不断改进,获得符合形变强化规律的残余应力分布结果,为以后更好的仿真滚压强化残余应力奠定了基础。(3)利用数值仿真模型探讨了滚压工艺参数(滚压量、进给量、滚压速度)对残余应力分布的影响规律。结果表明,残余压应力值随滚压量的增大而递增,且残余应力的均匀性随进给量和滚压速度的增加而降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究的历史与现状
• 1.2.1 滚压技术的发展过程与现状
• 1.2.2 冷压加工变形数值仿真的历史与现状
• 1.2.3 塑变强化残余应力数值仿真的历史与现状
• 1.3 本文的主要内容及意义
• 第二章 疲劳相关概念及数值仿真的基本理论
• 2.1 疲劳的基本概念
• 2.2 残余应力对构件疲劳性能的影响
• 2.3 滚压强化工艺中的非线性问题
• 2.4 大变形弹塑性有限元理论
• 2.4.1 屈服准则
• 2.4.2 流动准则
• 2.4.3 硬化准则
• 2.4.4 弹塑性本构方程
• 2.4.5 增量形式的平衡方程与更新的Lagrange 公式
• 2.4.6 弹塑性大变形有限元形式方程
• 2.5 基本问题的处理
• 2.5.1 接触问题的处理
• 2.5.2 非线性问题的处理
• 2.5.3 非线性迭代的收敛判据
• 本章小结
• 第三章 数值仿真模型的建立
• 3.1 表面滚压强化工艺简介
• 3.2 几何模型及网格划分
• 3.3 材料属性的定义
• 3.4 边界条件的施加
• 3.5 载荷的施加
• 3.6 接触体的定义
• 3.8 摩擦的设定
• 3.9 局部网格自适应划分控制
• 3.10 工况及作业设置
• 本章小结
• 第四章 数值仿真结果分析
• 4.1 滚压强化后工件变形分析
• 4.2 建模参数对残余应力场的影响
• 4.2.1 进给模式对残余应力分布的影响
• 4.2.2 边界条件对残余应力分布的影响
• 4.2.3 建模对象对残余应力分布的影响
• 4.2.4 接触设置对残余应力分布的影响
• 4.2.5 网格细化对残余应力分布的影响
• 4.2.6 局部网格自适应划分对残余应力的影响
• 4.3 滚压强化残余应力场的分析
• 4.4 滚压工艺参数对残余应力分布的影响
• 4.4.1 滚压量对残余应力分布的影响
• 4.4.2 进给量对残余应力分布的影响
• 4.4.3 滚压速度对残余应力分布的影响
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢