鋼絲拉拔過(guò)程中損傷演化與失效模擬分析及其應(yīng)用.pdf

1、高強(qiáng)度PC鋼絞線(xiàn)正被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于高層建筑、大跨度橋梁等現(xiàn)代大型建筑中，其力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)及橋梁的安全性能和使用壽命都有很大的影響。目前，國(guó)產(chǎn)熱軋高碳盤(pán)條與國(guó)際先進(jìn)水平的主要差距表現(xiàn)在較高的高斷絲率上。從損傷力學(xué)出發(fā)，描述金屬材料在塑性加工過(guò)程中的損傷現(xiàn)象如微孔洞形成及擴(kuò)展過(guò)程等，分析材料損傷斷裂原因，以?xún)?yōu)化金屬加工工藝參數(shù)，對(duì)于降低鋼絲拉拔過(guò)程中的斷絲率具有十分重要的意義。 本文以PC鋼絞線(xiàn)用熱軋盤(pán)條的拉絲形變過(guò)程為研究對(duì)象

2、，研究如何運(yùn)用有限元方法和損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)理論來(lái)模擬金屬拉絲成形過(guò)程中內(nèi)部缺陷的形成和演化規(guī)律，以及拉絲工藝參數(shù)的選擇對(duì)材料損傷演化與失效過(guò)程的影響，分析闡明了鋼絲拉拔過(guò)程中損傷產(chǎn)生的機(jī)理，針對(duì)鋼絲拉拔過(guò)程中的損傷特征選擇合適的材料損傷演化方程，建立了含損傷鋼絲拉拔過(guò)程的三維有限元模型，提出了利用有限元軟件Abaqus求解材料損傷時(shí)的流程結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)了鋼絲連續(xù)拉拔的全過(guò)程。 本文完成的主要工作有：分析在企業(yè)給定的模具頂角、入

3、線(xiàn)直徑和道次壓縮率參數(shù)范圍內(nèi)拉絲內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律，分析連續(xù)拉拔過(guò)程中材料損傷演化的規(guī)律；分析鋼絲在連續(xù)拉拔過(guò)程中損傷演化的規(guī)律與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，并得到條件最佳優(yōu)化參數(shù)；針對(duì)模擬過(guò)程中遇到的計(jì)算結(jié)果不收斂的問(wèn)題考慮有效的解決方法；建立模擬含裂紋鋼絲拉拔過(guò)程的拉絲分析模型，選擇適當(dāng)?shù)臄嗔褏⒘繉?duì)工藝參數(shù)的選擇進(jìn)行探討，以斷裂參量最小為原則對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將分別基于損傷參數(shù)與斷裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化所得的結(jié)果加以比較。 本文在研究中

4、發(fā)現(xiàn)：在鋼絲通過(guò)八道次模具的連續(xù)拉拔過(guò)程中，大部分節(jié)點(diǎn)的損傷量都較小，只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)的損傷量較大；這些節(jié)點(diǎn)附近是裂紋最可能萌生的地方，也是斷裂的高發(fā)點(diǎn)；同一道次內(nèi)隨著荷載步的增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)的損傷量不斷增大，而鋼絲八道次拉拔的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的損傷量也隨著道次的增加而不斷增大，表現(xiàn)為越來(lái)越多的單元進(jìn)入損傷階段，材料的承載能力有所降低。隨著道次的增加，損傷值最大的節(jié)點(diǎn)從材料的下表面開(kāi)始逐漸上移和向軸心靠近，拉拔損傷分析的結(jié)果顯示鋼絲內(nèi)部損傷值最大的節(jié)

5、點(diǎn)并不在盤(pán)條的中心軸上，而是偏離盤(pán)條的中心線(xiàn)一段距離；在損傷分布方面，鋼絲不同部位的節(jié)點(diǎn)損傷情況并不一致。損傷沿著鋼絲中心軸的結(jié)果顯示，中心軸與鋼絲上下兩個(gè)截面的交點(diǎn)處損傷較高，而損傷沿著周向的結(jié)果則顯示，損傷值最大的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)略微偏離鋼絲中心軸，這與徑向的分析結(jié)果是一致的。在材料的橫截面上，隨著沿直徑方向與該點(diǎn)距離的增加，節(jié)點(diǎn)的損傷量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。 研究結(jié)果表明：以整體節(jié)點(diǎn)損傷值最小和損傷梯度較小的原則，可確定在現(xiàn)有工

6、藝參數(shù)條件下，當(dāng)模具頂角為4°時(shí)最后一道次的最佳道次壓縮率為16％。在道次壓縮率的分配上，第一道次應(yīng)安排較小的壓縮率，使鋼絲表面保留良好的潤(rùn)滑層，第二道次應(yīng)利用鋼絲的塑性給予較大的部分壓縮率，以后隨著鋼絲的形變硬化和變形抗力加大而逐漸降低部分壓縮率，最后一道次的壓縮率應(yīng)盡可能地小，本文提出的這種新的道次壓縮率參數(shù)組合，與企業(yè)現(xiàn)行生產(chǎn)工藝的八道次拉拔相比，鋼絲拉拔的總道次壓縮率不變，但減少一個(gè)拉拔道次。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，這樣不僅能保證

7、拉拔順利進(jìn)行，節(jié)約拉拔成本。使成品鋼絲獲得良好的力學(xué)性能，還能減少損傷，保證鋼絲良好的表面和內(nèi)部質(zhì)量。 含裂紋的鋼絲拉拔分析模型偏重于拉拔過(guò)程中的失效模擬，選擇J積分判據(jù)作為拉拔過(guò)程中裂紋是否擴(kuò)展的判據(jù)，以J積分值最小的原則分析得出當(dāng)?shù)来螇嚎s率參數(shù)介于15％-22％時(shí)，與模具頂角4°相匹配的最佳道次壓縮率為16％。本文中基于損傷分析的拉拔參數(shù)優(yōu)化和基于斷裂分析的參數(shù)優(yōu)化盡管采用的研究方法不同，但在結(jié)果上卻是一致的，這證明了兩種處