振動時效中盲孔法的數(shù)值模擬【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　振動時效中盲孔法的數(shù)值模擬</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　振動時效技術適應現(xiàn)代工業(yè)社會對能源和環(huán)保的要求，是一種革命

2、性的高新技術。近幾十年來在世界范圍內得到了更為廣泛的應用 。振動時效技術的效果主要通過比較時效前后殘余應力的大小來評定。</p><p>　　本論文主要研究構件殘余應力的測定及盲孔法的有限元模擬，具體內容如下：</p><p>　　（1）介紹了切割法、盲孔法、磁性法、超聲波測量法等幾種人們比較熟悉并應用較普遍的殘余應力測定方法。 </p><p>　?。?）對盲孔法

3、測定構件殘余應力的計算方法，進行了比較詳細理論推導，并對應變釋放系數(shù)A、B的實驗標定進行了理論分析。 </p><p>　?。?）運用ANSYS10.0軟件，通過有限元分析對盲孔法測定殘余應力計算過程中的A、B系數(shù)進行有限元標定。 </p><p>　　關鍵詞：振動時效技術、殘余應力、盲孔法、應變釋放系數(shù)、有限元分析</p><p>　　Numerical simu

4、lation of blind-hole method in VSR</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Vibratory stress relief technology adapt to the modern industrial society in energy and environmental protection

5、request, is a revolutionary high-tech. It is widely used in the world in recent decades . We judge the effect of vibratory stress relief technology mainly by determination the size of the residual stress before and after

6、 this process. </p><p>　　This thesis mainly studies the determination of residual stress components and the finite element simulation of blind hole method , as follows: </p><p>　　(1) Introduces

7、some popular residual stress measuring method: Cutting method, blind hole method, magnetic method, ultrasonic measure method and so on.</p><p>　　(2) Detailed derivation the calculation method of blind hole m

8、ethod, and analyze the experimental calibration of strain energy release coefficient A、B by theory.</p><p>　　(3) Using finite element analysis software ansys 10.0, through the finite element analysis calibra

9、tion the blind hole method strain energy release coefficient A、B.</p><p>　　Keywords: vibratory stress relief; residual stress; blind-hole method; strain relief factor; finite element analysis</p><

10、p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課

11、題的意義1</p><p>　　1.3振動時效技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.1 振動時效技術國外的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 振動時效技術國外的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4課題研究的主要內容3</p><p>　　2構件殘余應力的一般測定方法4</p>

12、;<p>　　2.1機械釋放測量法4</p><p>　　2.1.1逐層銑削法4</p><p>　　2.1.2切割法4</p><p>　　2.1.3盲孔法4</p><p>　　2.2非破壞性測量方法5</p><p>　　2.2.1磁性法5</p><p>　　2

13、.2.2中子衍射法5</p><p>　　2.2.3超聲波法6</p><p>　　2.2.4其它方法7</p><p>　　3盲孔法測定殘余應力8</p><p>　　3.1基于通孔條件的盲孔法計算應力公式推導9</p><p>　　3.2盲孔應變釋放系數(shù)A、B的實驗標定13</p><

14、;p>　　3.2.1釋放系數(shù)A、B值的實驗標定14</p><p>　　4盲孔應變釋放系數(shù)A、B值的有限元標定15</p><p>　　4.1實體模型的建立16</p><p>　　4.1.1建立長方體模型16</p><p>　　4.1.2建立圓柱體模型16</p><p>　　4.1.3對長方體和圓

15、柱體進行布爾運算的減運算17</p><p>　　4.2定義材料類型和單元屬性17</p><p>　　4.2.1定義單元類型17</p><p>　　4.2.2定義材料屬性18</p><p>　　4.3實體模型的網格劃分19</p><p>　　4.4加載及求解20</p><p&g

16、t;　　4.4.1定義分析類型20</p><p>　　4.4.2自由度的約束 20</p><p>　　4.4.3有限元模型的加載 21</p><p>　　4.4.4運算 22</p><p>　　4.5計算結果的提取和計算23</p><p><b>　　總結和展望26</b>&

17、lt;/p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　金屬工件在鑄

18、造、鍛壓、焊接、切削加工和使用過程中，由于受熱、冷、機械變形作用，會在工件內部產生殘余應力，使工件在服役過程中產生應力變形和失效。過去通常采用熱時效和自然時效消除殘余應力。然而自然時效周期太長，占地面積大，不適應大批量生產；熱時效費用高，爐溫控制難，受熱不均易致裂，并在冷卻過程中產生新的應力[1]。振動時效能顯著節(jié)能、降低成本、縮短周期[2]。與熱時效相比，振動時效可節(jié)約成本90％ 以上，節(jié)能95％ 以上，節(jié)約投資90％以上，振動時效通

19、常僅需0．5h，最長不超過1h。振動時效設備輕便，工藝簡單，自動化程度高，不受工件大小、重量、地點限制。</p><p>　　振動時效適應現(xiàn)代工業(yè)社會對能源和環(huán)保的要求，是一種革命性的高新技術。近20、30年來在世界范圍內得到了更為廣泛的應用。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　振動時效技術是利用一個帶有

20、偏心輪的激振器，根據(jù)構件的尺寸和形狀調整激振力和激振頻率，其中激振力調到構件所需要的振動強度（附加動應力），激振頻率則調到接近工件的固有頻率，使用亞共振來提高除應力效率。它的特點是時效時間短，綠色、節(jié)能、環(huán)保、無污染；設備的所需的投資少。[3]</p><p>　　隨著科學技術的不斷發(fā)展、社會的進步，人們對于環(huán)境保護、減少能源的消耗、減少設備投資不斷提高。因此振動時效技術越來越受到人們的關注，目前在西方國家該技術

21、已經開始普遍的被推廣和使用，我們也在上世紀80、90年代開始了對振動時效技術的研究。振動時效技術可以說是熱時效的補充和發(fā)展，在一定范圍內逐步取代熱時效。尤其在當今注重環(huán)保和能源短缺的背景之下，對于振動時效技術的研究和推廣有著更加重要的意義。[4]</p><p>　　目前，人們主要通過對構件振動時效前后的殘余應力的大小的測定來檢驗振動時效效果[5]，其中盲孔法是現(xiàn)在比較流行的方法。</p><

22、p>　　1.3振動時效技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 振動時效技術在國外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　振動時效起源于二次世界大戰(zhàn)以后的歐美國家。在上世紀50年代前后，振動理論、測試技術和激振設備都得到迅速的發(fā)展。現(xiàn)在，振動和控制設備日臻完善,振動時效已為十多個工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用。 美某應力消除公司擁有350臺振動時效設備，進行過5000多項振動時效處理[6]。

23、 英國和德國對飛機裝配架的焊接梁和框架普遍采用了振動時效。 前蘇聯(lián)金屬切削機床實驗科學研究院將振動時效工藝推薦給各機床廠，某些重型機床廠的大件和基礎的零件全部采用了振動時效。 在能源緊缺、生態(tài)環(huán)境越來越惡化的形勢下，高效節(jié)能減少環(huán)境污染的VSR工藝近二三十年來在國外得到了迅速發(fā)展[7]?，F(xiàn)在，美、英、德、法、俄、加、比、羅、日等國均已不同程度地把VSR工藝應用于航空、海洋、 鉆探、礦山、機床、紡織、造紙、石油運輸?shù)雀鞣N輕重工業(yè)的鑄、鍛、

24、焊件以及有色金屬工件中。美國、德國、法國、英國都有世界知名的VSR設備制造商。</p><p>　　1.3.2 振動時效技術在國內的研究現(xiàn)狀</p><p>　　振動時效（VSR）20 世紀70年代被引進我國。1974 年北京機床研究所正式將VSR工藝列為研究課題,開始進行機床鑄鐵件應用VSR工藝及設備的研究工作，經過幾年的研究，確定了VSR的基本工藝方法，肯定了VSR效果。 隨著研究的進

25、行和深入，在“六五”期間VSR又被列為中國38項重點攻關任務分子項"提高機床鑄件質量的研究" 內容之中,由北京機床研究所負責進行VSR工藝實用性研究。 按期完成研究任務，“ 六五” 總鑒定，VSR工藝研究達到了世界先進水平。2003 年全國科協(xié)大會選定振動時效作為大會宣讀論文。 在2008 年，國防科工委又頒布了振動時效《 裝甲車輛振動消除應力技術要求》（WJ2696-2008)標準。 這一切為振動消除應力技術的發(fā)展

26、和應用起到了極大的推動作用。</p><p>　　VSR在中國從無到有，現(xiàn)在已有幾千臺VSR設備在我國的機床、模具、鍛壓、鑄造、木工、航空、航天、冶金、鐵道、礦山、造船、紡織、核電站等行業(yè)運行。</p><p>　　但因為傳統(tǒng)的振動時效還存在著許多的問題，始終沒有被大多數(shù)企業(yè)納入正式的工藝流程，在國內外機械制造領域仍普遍采用熱時效處理方式。</p><p>　　1.

27、4課題研究的主要內容</p><p>　　本文研究的是振動時效技術工藝過程中的時效效果的評定環(huán)節(jié)。我們利用測定構件時效前后的構件殘余應力的變化量來評定其效果。具體研究內容包括： </p><p>　?。?）構件殘余應力的一般測定方法。介紹了切割法、盲孔法、磁性法、超聲波測量法等幾種人們比較熟悉并應用較普遍的殘余應力測定方法。 </p><p>　?。?）盲孔法測定殘

28、余應力計算。對于運用盲孔法測定構件殘余應力的計算方法，進行了比較詳細理論推導，并對應變釋放系數(shù)A、B的實驗標定進行了理論分析。 </p><p>　?。?）盲孔法中A、B系數(shù)有限元標定。運用ANSYS10.0軟件，通過有限元分析對921A鋼構件在盲孔狀態(tài)下測定殘余應力計算過程中的A、B系數(shù)進行有限元標定。 </p><p>　　2構件殘余應力的一般測試方法</p><p

29、>　　2.1機械釋放測量法</p><p>　　2.1.1逐層銑削法</p><p>　　逐層銑削法就是采用銑、研磨拋光、腐蝕、電解腐蝕等方法對已磨削處理過的構件表面進行剝層,使構件表面殘余應力得到釋放,引起試件產生變形并確定構件的變形量[8],再根據(jù)彈性理論可以推算出被削層內的應力。這種方法的優(yōu)點是可以測定厚度上梯度較大的內應力[9]。 </p><p>　

30、　2.1.2切割法[10]</p><p>　　切割法普遍適用于構件處于平面應力狀態(tài),或沿厚度方向變化不大的板狀構件。具體作法是:首先在欲測點上粘貼應變片,并用劃先工具劃出相應的切割線,連接儀器后沿切割線切出子單元。單元體由于去掉周圍的約束,而使殘余應力釋放,通過粘貼在單元上的應變片即可測量其應變(如圖2.1所示)。 </p><p>　　圖2.1 切割法的貼片和切割線示意圖 </p

31、><p><b>　　2.1.3盲孔法</b></p><p>　　若構件內存在殘余應力場和彈性應變場，在應力場內任意點處鉆一小盲孔(直徑為d，深為h)，該處的金屬和其中的殘余應力即被釋放，原應力場失去平衡，這時盲孔周圍將產生一定量的釋放應變(其大小與釋放應力是相對應的)，并使原應力場達到新的平衡，形成新的應力場和應變場，測出釋放應變△，即可利用相應公式計算出初始測試點的

32、殘余應力。</p><p>　　圖2.2 盲孔法殘余應力測量原理圖 </p><p>　　目前關于盲孔殘余應力釋放的分析，大致是在套用通孔分析方法的基礎上做些修正，對于由圖1所示應變計測得的釋放應變，其應力計算公式為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，分別為相應各應變計鉆孔后測得的

33、釋放應變；A、B為應變釋放系數(shù)；為主應力。</p><p>　　通孔應變釋放系數(shù)可由Kirsch理論解得到</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中分別為被測材料的彈性模量和泊松比 ，，分別為孔徑和盲孔中心到應變計孔端、遠孔端距離。[12]</p><p>　　盲孔應變釋放系數(shù)則需由標定試

34、驗確定，假設人為地在構件中施加單向應力場( )，應變計1、3分別平行于方向，即=0，則有</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　將單向應力場帶入(3)得</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　由1、3應變計測得的釋放應變 即可求出應變釋放系

35、數(shù)A、B。</p><p>　　2.2非破壞性測量方法</p><p>　　2.21磁性法[11]</p><p>　　磁性法是根據(jù)鐵磁材料受力后，磁性的變化來評定內應力。目前實用的方法有磁應變法和磁噪聲法。磁噪聲法是鐵磁材料在外加交變磁場作用下，磁疇壁突然發(fā)生不連續(xù)移動，釋放出彈性應力-應變波，此現(xiàn)象由德國物理學家巴克豪森（H Barkhausen）于1919年發(fā)

36、現(xiàn)，稱為巴克豪森噪聲（BN）。每一BN在探測線圈內感應一個脈沖電壓，其大小一般以峰值或平均值來表示。材料的顯微組織結構和應力狀態(tài)等與BN信號的大小有一定對應關系。磁噪聲法就是根據(jù)BN信號的大小來測定應力和一些顯微缺陷以及組織變化。磁應變法是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應來測定應力，即在應力作用下，鐵磁材料的導磁率或磁阻發(fā)生變化。同時，磁-彈相互作用，產生磁各向異性，導磁率作為張量與應力有著一定的關系。利用該原理，磁應變法可以用來測定某點的主

37、應力大小及方向。 </p><p>　　磁性法僅適用于鐵磁材料，且對材質比較敏感，每次都需先標定。由于在測試過程中存在一定的累積誤差，故精度不高。但其設備結構簡單、性能穩(wěn)定、易于操作、特別適用于現(xiàn)場條件要求不嚴格的地方使用。目前，磁性法主要用來檢測焊接殘余應力，同時在去應力處理的熱時效和振動時效方面也有一些應用。 </p><p>　　2.2.2中子衍射法</p><p

38、>　　中子衍射法一種測量構件內部殘余應力的常用方法。通過研究衍射束的峰值位置和強度，可獲應力或應變的數(shù)據(jù)r J。但中子的穿透深度比x射線大得多，可以用來測量焊接構件沿層深的殘余應力[12]。由于材料中參與反射的區(qū)域較大，</p><p>　　2.2.3 超聲波法測殘余應力</p><p>　　超聲波法基于聲彈性理論基礎。即超聲波在材料內部傳播時，利用應力引起的聲雙折射效應對應力進行測

39、量。它是近年來才出現(xiàn)的無損檢測的新方法。 </p><p>　　超聲波法可適用的材料較多，探測深度較大，可簡單、快速、準確的檢測到試件表面和內部殘余應力。但由于聲波波長太長，應力引起的波速變化 微小，且受材料的形狀及組織結構影響大，故其檢測精度低，只能測試高值殘余應力。同時，該法僅能測超聲路程上的平均速度，因此僅能用來檢測均勻的應力場。目前，超聲波法主要用來檢測熱殘余應力、焊接應力和螺栓應力。 </p>

40、;<p><b>　　2.2.4 其他 </b></p><p>　　隨著測試技術的不斷進步，殘余應力的新的測定方法也不斷涌現(xiàn)出來，如材料的拉壓異性法[13]、無損電測法[14]、反向疊加應力法等方法都是近期出現(xiàn)的新的方法。</p><p>　　3盲孔法測試殘余應力</p><p>　　盲孔法由J.Mathar早在1934 年首先

41、提出，自從美國材料試驗協(xié)會ASTM1981年制訂的測量標準(E837-81)公布以來，后經長期不斷研究修訂和補充完善目前已在國外機械行業(yè)中廣泛的使用。 </p><p>　　盲孔法測量殘余應力是在鉆孔法（通孔法）的基礎上為了降低構件因為鉆孔而受損傷的程度，將原來的通孔改為盲孔而形成的。其基本原理為：若構件內存在殘余應力場（，），在應力場內任意一處鉆一定直徑（d）和深度（h）的小孔，該處的金屬連同其中的殘余應力即被

42、釋放，原有的殘余應力也失去了平衡，這時的盲孔周圍將產生一定量的釋放應變，他的大小與由于盲孔作用所釋放的應力是想對應的。測定了釋放應變的大小，即可通過相應的計算公式確定測點的原有殘余應力。 </p><p>　　盲孔法測試殘余應力的技術包括貼片、鉆孔和測量計算3個主要的部分，由以下基本操作步驟組成：（1）專用應變花粘貼于被測構件表面。（2）各個應變片連接到靜態(tài)應變儀上。（3）安裝鉆孔裝置、鉆孔。（4）測讀釋放的應變

43、值。（5）計算殘余應力。其中，步驟（3）、（5）是整個測試過程中的關鍵環(huán)節(jié)。 </p><p>　　盲孔法測試殘余應力的計算是在近似利用通孔法的計算解析基礎對應力松弛系數(shù)A、B值按照測試條件進行實際標定來獲得較為準確的測定結果[15]。 </p><p>　　3.1基于通孔條件的盲孔法應力計算公式推導</p><p>　　設在無限大的平板上作用著主應力和，那么在板上

44、任意一點A上的應力分量為 </p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　當在板O點處鉆一半徑為a的通孔且2a遠小于板的邊界尺寸如下圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 鉆孔示意圖</p><p>　　根據(jù)彈性力學Kirsch公式解得到</p><p><b&g

45、t;　?。?-2）</b></p><p>　　因此在鉆孔前后，任意一點A的應力分量的變化量為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　、是點A在鉆孔后而應力松弛所釋放應力的結果。那么我們在A點處沿著其徑向貼一應變計（如圖3.2所示）。</p><p>　　圖3.2 貼應變計示意圖

46、</p><p>　　圖3.2中L為應變片的長度，、分別為鉆孔中心到應變計近孔端、遠孔端的距離。應變片的柵長中點與A點剛好相重合，那么在我們鉆孔之后，應變計由于受到、的作用其應變值將會發(fā)生變法。[16] </p><p><b>　　根據(jù)廣義胡克定律</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p>

47、;<p><b>　　其應變的變化值為：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中、分別為被測材料的彈性模量和泊松比</p><p>　　因為應變計的長度L有限，所以通過應變計測得的是沿著應變計L上的平均應變化值，其值為：</p><p>　　=

48、= （3-6）</p><p>　　那么我們將式（3-3）代入式（3-6），就可以建立點A處的徑向應變和它的主應變力、及主方向之間的關系式</p><p>　　(3-7) </p><p>　　根據(jù)式（3-7）可知，我們只要在圖4所示的板上分布與點O為等距離的三個應變計測量點A、B、C，測出三個點上的徑向應變、、，通過三點的測量計算就可

49、以求得主應力、及主方向的大小。</p><p>　　將式（3-3）代入（3-6）后，通過積分計算得：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中A、B為應變釋放系數(shù)</p><p><b>　　其中</b></p><p>　?。?-9）

50、 </p><p>　　我們假設與鉆孔中心O點等距離分布的應變片A、B、C三點與主應力1σ所成角度分別為θ、θ+α、θ+β如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3應變片分布圖</p><p>　　那么通過式（3-8）我們就可以建立三個應變片變化值的方程組：</p><p><b>　　（3-10）</b&g

51、t;</p><p>　　測定殘余應力時，我們所選擇的應變片的貼片方式如下圖3.4所示</p><p>　　圖3.4盲孔法測量殘余應變片示意圖</p><p>　　根據(jù)上圖得、，代入式3-10得</p><p><b>　　（3-11）</b></p><p><b>　　解上式得<

52、;/b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式（3-11）就是在套用通孔法測殘余應力的計算方法的基礎上用于盲孔法測定殘余應力計算的解析方程。與通孔法所不同的是在通孔法中通孔應變釋放系數(shù)可以直接按有Kirsch理論解得的式（3-9）代入方程組計算。而盲孔法計算時它的應變釋放系數(shù)必須通過實驗去標定，這樣才可以在近似利用通孔法計算解

53、析式的基礎上代入實際標定系數(shù)A、B去計算獲得比較準確的盲孔法殘余應力測定結果。 </p><p>　　3.2盲孔應變釋放系數(shù)A、B的實驗標定</p><p>　　盲孔應變釋放系數(shù)A、B值的標定是盲孔法測定構件殘余應力的關鍵環(huán)節(jié)。A、B系數(shù)的標定正確與否將直接影響到測定結果的計算是否準確。 </p><p>　　目前在實際的工程運用中人們普遍采用實驗標定的方法來標定A

54、、B系數(shù)。 </p><p>　　3.2.1 釋放系數(shù)A、B值的實驗標定</p><p>　　根據(jù)小孔法基本原理和計算公式標定試驗最好在平面應力場進行，由于加載條件的限制，一般都采用單向均勻加載的方式進行標定。</p><p>　　我們在構件中施加一個單向應力力場，并且試應變計1和3平行于、方向，即（=、、），于是將上述單向應力代入式（3-11）得：</p&g

55、t;<p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　=A </p><p>　　解式（3-13）得：</p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　　由應變片1、3測得的釋放應變、,就可以求得應變釋放系數(shù)A、B</p>

56、<p>　　如圖3.5所示標定試驗時，對試板施加一定外載（單向拉伸），記錄應變花1、2、3的徑向應變值、、，然后在中心出鉆一個盲孔，測得鉆孔后應變花的徑向值、、 。</p><p>　　于是得到應變的改變量：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　將式（3-15）代入式（3-14），即可求得應變釋放系數(shù)

57、A、B的實驗標定值</p><p>　　在進行實驗標定時候，首先要解決的問題是應變花的分布。通過綜合考慮我們可以采用如圖3.5所示的應變計分布方法來進行貼片。</p><p>　　圖3.5標定試件的應變計分布</p><p>　　如圖3.5所描述的中應變花1、2、3分布與試板的中心用于測定試板鉆孔前后的應變量。由于在對試板施加一個外載應力時，可能出現(xiàn)加載偏心和使試板

58、發(fā)生扭轉，從而影響實驗標定的準確性，我們按圖所示在1、2、3應變片的對稱面分布4、5、6應變片，用于校正加載過程中的偏心和試板的扭轉。</p><p>　　為了保證標定實驗的準確性，我們要求在不卸載外應力的狀況下在指定位置進行鉆孔；但在實際的實驗過程中卻由于鉆孔等加工條件的限制，需要對試板先卸載并取下試板，再在鉆孔裝置上進行鉆孔，然后在加載拉伸，測定鉆孔后的應變。為此我們設置了7、8、9、10應變片，通過對他們的

59、測定來盡量保證鉆孔前后兩次對試板加載的一致。</p><p>　　在標定應變釋放系數(shù)A、B時，加載應力必須大于（為材料的屈服極限），這樣得到的A、B值比較接近常數(shù)，。另外，由于鉆孔，將在孔邊形成應力集中的現(xiàn)象，為了不使應力集中引起材料的塑性變形，影響A、B的標定精度，應使。當應力水平在（）變化時，應力水平應該在不引起塑性變形的前提下盡量接近，這樣有利于提高測定精度。</p><p>　　為

60、了是A、B的標定更加的準確，我們應該使外載應力在（）的范圍內對試扳進行不同應力水平情況下的多次加載。最后在計算A、B值時，對通過多次加載后計算得到的多組A、B數(shù)據(jù)進行平均處理，得到A、B的平均值代入式（3-12）進行計算。</p><p>　　由于應變釋放系數(shù)A、B值隨著鉆孔深度的增加會發(fā)生變化[17]。所以在實驗標定A、B系數(shù)的時候，試板上所鉆盲孔的孔徑和深度應該和在對構件進行盲孔法測定殘余應力時鉆盲孔的孔徑、

61、深度一致，從而保證殘余應力測定。</p><p>　　4盲孔法殘余應變釋放系數(shù)的有限元標定</p><p>　　我們知道，對于淺盲孔法, 它們與材料性能參數(shù)(E、L)、孔的幾何參數(shù)(d、h)、應變柵的粘貼狀態(tài)、儀器的靈敏度、測量精度、測試對象的幾何形狀及應力狀態(tài)等有關。[18]為了便于理論分析, 設其力學模型如圖1 所示。研究對象為均勻應力狀態(tài), 設孔無偏心, 應變柵無橫向效應, 未發(fā)生塑

62、性變形, 即主要考慮孔深度的影響。[19]圖4.1a 是被測試件的原始應力狀態(tài)。在其上鉆一個盲孔, 相當于將淺盲孔的應力去除, 這一過程用力學模型表示為狀態(tài)c。狀態(tài)b 是在淺盲孔邊界上孔, 相當于將淺盲孔的應力去除, 這一過程用力學模型表示為狀態(tài)c。狀態(tài)b 是在淺盲孔邊界上施加與原始應力大小相等、方向相反的部分應力。顯然狀態(tài)a 與b 的疊加等于狀態(tài)c, 狀態(tài)c 為鉆孔后的應力狀態(tài)。分析測試過程, 測量的應變計讀數(shù)是鉆孔前后的應變變化值。

63、即狀態(tài)c 的應變減去狀態(tài)a 的應變, 也就是狀態(tài)b 力學模型下的應變值。因此, 將b狀態(tài)下的應變值代入公式2-4可以獲得A 、B 值, 對狀態(tài)b 進行不同深度的有限元計算, 可得到不同條件的A 、B 釋放系數(shù)。</p><p>　　圖4.1有限元計算原理圖</p><p>　　我們使用有限元分析軟件ANSYS對盲孔法應力釋放系數(shù)A、B進行標定[20]。由于對稱性，取標定試件中間的1/4建立

64、三維有限元模型，模型尺為60,中心盲孔直徑為2mm.材料為921A鋼，其彈性E=2.1X105Mpa,泊松比μ=0.3，屈服強度σs=588Mpa,硬化指數(shù)取彈性模量的1/10（2.1X103Mpa），整個有限元模型均為六面體單元，在X方向施加均布載荷P作用。使孔邊不產生塑性變形，我們取P=100Mpa。</p><p>　　4.1實體模型的建立</p><p>　　4.1.1建立長方體模

65、型</p><p>　　打開ANSYS10.0軟件，單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模) →Create(創(chuàng)建) →Volumes(體) →By 2 corners＆Z。我們通過標定角點坐標X=0，Y=0和長方體的長、寬、高分別為60mm、30mm、12mm（如圖4.2所示），單擊OK完成長方體實體的建模。 </p><p>　　

66、圖4.2長方體參數(shù) 圖4.3圓柱體參數(shù)</p><p>　　4.1.2建立圓柱體模型</p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模) →Create(創(chuàng)建) →Volumes(體) →Cylinder(圓柱體) →Solid Cylinder(實心圓柱體)。我們設定其半徑R=1mm

67、，高度D=6mm（如圖4.2所示）。單擊OK完成圓柱體實體的建模。</p><p>　　4.1.3 對長方體和圓柱體進行布爾運算的減運算</p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模) →Operate(操作) →Booleans(布爾運算) →Subtract(減運算) →Volumes(體)。 在彈出的Subtrac

68、t Volumes對話框后，先拾取長方體→單擊OK，再先拾取圓柱體→單擊OK。此時體相減操作完成，生成分析所用的實體模型（如圖4.4所示）。</p><p>　　圖4.4所需實體模型</p><p>　　4.2定義單元類型和材料屬性</p><p>　　4.2.1 定義單元類型</p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Prepr

69、ocessor(前處理) →Element Type(單元類型) →Add/Edit/Delete(添加/編輯/刪除)。在彈出的單元定義對話框中,點擊Add添加單元類型。我們選擇選擇Solid→Brick 8 node 45（8節(jié)點6面體單元），如圖4.5所示。點擊OK完成單元類型的定義。 </p><p>　　圖4.5 定義單元類型</p><p>　　4.2.2 定義材料的屬性 <

70、;/p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Material Props →Material Models命令。在彈出的Define Material Model Behavior(定義材料模型屬性窗口)對話框的右邊列表中依次雙擊Structural→Linear→Elastic→Isotropic（如圖4.6）。</p><p>　　圖4.6定

71、義材料屬性</p><p>　　此時將彈出一個線彈性、各向同性材料模型屬性的定義對話框。在EX中輸入彈性模量2.1X1011Pa,在Prxy中輸入泊松比0.3（如圖4.7所示），完成后單擊OK結束。定義完成后在定義材料模型的窗口中選擇Material→Exit命令，退出模型材料定義窗口。</p><p>　　圖4.7設定彈性模量和泊松比</p><p>　　4.3實

72、體模型的網格劃分</p><p>　　在網格劃分中我們采用智能網格劃分法對實體模型進行網格劃分，建立分析所需的有限元分析模型。 </p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Meshing(結網) →Mesh Tool(網格劃分工具)。在彈出的對話框中，選擇第一級最精細劃分，再選擇HBX→SWEEP,最后單擊SWEEP鍵（如圖4.8所示）。&

73、lt;/p><p>　　圖4.9 圖4.10</p><p>　　彈出Volume Sweeping對話框（如圖4.9所示）。拾取創(chuàng)建好的實體模型→單擊OK完成實體模型的網格劃分工作，生成有限元模型（如圖4.10所示）。</p><p><b>　　4.10網格劃分圖</b></p>

74、<p><b>　　4.4加載及求解</b></p><p>　　4.41定義分析類型</p><p>　　單擊Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis。在彈出的對話框中選擇靜力分析（Static）→點擊OK完成分析類型的定義（如圖3.11所示）</p><p>　　圖4.11分析

75、類型的選擇</p><p>　　4.4.2 自由度的約束（邊界條件的處理） </p><p>　　由于對稱性，在YOZ面上的所有節(jié)點的X方向的位移為0，在XOZ面上的所有節(jié)點的Y方向的位移為0。 </p><p>　　首先對YOZ面進行自由度約束，單擊Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacem

76、ent(自由度的約束)→On Areas(面約束)。我們拾取YOZ面在彈出的對話框中選擇UY，在VALUE Displacement Value中輸入0，最后點擊OK完成對YOZ面X方向位移的約束（如圖4.12）。按同樣的方法對XOZ面的Y方向位移進行約束（如圖4.13）。</p><p>　　圖4.12 X方向施加約束 圖4.13 Y方向施加約束 </p><p>

77、;　　4.4.3 有限元模型的加載 </p><p>　　單擊Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Areas(在面上均布加載)。由于我們對有限元模型加載的是拉伸載荷，所以為負值。</p><p>　　圖4.14 加載操作</p><p><b>　　4.4.4 運算 &l

78、t;/b></p><p>　　依次單擊Main Menu→Solution→Solve→Current LS。在依次彈出的對話框中點擊OK→YES,完成對加載有限元模型的運算工作。 </p><p>　　4.15 運算后模型圖</p><p>　　圖4.16 模型總體 X方向的應變分布圖</p><p>　　圖4.17 模型總體

79、Y方向應變分布圖</p><p>　　圖4.18盲孔附近X方向應變分布 圖4.19盲孔附近Y方向應變分布</p><p>　　4.4.5 計算結果的提取及計算 </p><p>　　我們提取盲孔附近多個單元的X方向和Y方向的應變值，然后求平均值，即為模型中應變片處的應變值。</p><p>　　依次單擊Main Menu→TimeH

80、ist Postpro→Define Variables。在彈出的對話框中點擊ADD，再在彈出的對話框中選擇Element Results→OK，拾取指定單元E1。再在彈出的Define Element Results Variables對話框中進行參數(shù)與分析設定（如圖4.16所示）。用相同的方法提取E2單元。</p><p>　　4.16單元求解設定</p><p>　　在完成對所要提取

81、的E1、E2單元后，點擊List Variable在對話框中依次輸入0、1、2、3→OK，輸出測定結果（如圖4.17所示）。 </p><p>　　圖4.17 輸出結果示意圖</p><p>　　將所得到的應變片的平均應變值減去鉆孔前應變片的平均應變值即可得到加載時釋放的應變、。我們以孔徑為2mm，孔深為6mm的模型數(shù)據(jù)為例，此時,。</p><p><b&

82、gt;　　代入下式得：</b></p><p><b>　　=0.405</b></p><p><b>　　B==0.798</b></p><p>　　用相同的方法建立相同孔徑，不同孔深的模型，求得不同孔深時的A、B值。將所得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合（如圖4-17）。</p><p>　

83、　圖4.17 釋放系數(shù)A、B的數(shù)值擬合曲線</p><p>　　由圖可得，應變釋放系數(shù)A、B 的絕對值隨孔深h與孔徑d比值 增大而增大，當h／d大于1時，A、B基本保持不變。</p><p><b>　　總結和展望</b></p><p>　　振動時效能顯著節(jié)能、降低成本、縮短周期，在能源短缺和注重環(huán)境保護的今天，該技術具有廣闊的推廣和發(fā)展前

84、進。對于振動時效技術效果的檢驗，我們可以通過測定構件時效前后的殘余應力來檢驗。而殘余應力的測定我們可采用機械釋放測量法（包括切割法、逐層銑銷法、盲孔法等）和非破壞性測量方法（包括磁性法、中子衍射法、超聲波法 等）。隨著測試技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的殘余應力測試方法，如：拉壓異性法、無損電測法、反向疊加應力法。</p><p>　　盲孔法是比較普遍的一種測試方法，它對構件的破壞性較通孔法、切割法小，又具有較高的

85、測定精度。本文對于盲孔法的原理和計算方法做了比較詳細的分析。</p><p>　　本文采用有限元分析軟件ANSYS對盲孔法的殘余應力釋放系數(shù)A、B進行了有限元標定，并將不同孔深時得到的A、B值進行了線性擬合。這個過程中較好的完成了實體建模、面的自由度約束、加載計算、單元的提取等。但有限元標定A、B系數(shù)中還存在一些不足之處，如網格劃分控制不夠精確、不夠到位，導致分析結果精度不是很高，與理論值存在一點的偏差。 <

86、;/p><p>　　通過本次研究，我對振動時效技術以及測試殘余應力各種方法有了深刻的認識，學會了如何使用ANSYS軟件對構件進行靜力分析，自學能力也得到了很大的提高。</p><p>　　有限元法相對實驗法沒有人為的操作誤差，方便可行，隨著對有限元技術研究的不斷深入 ，有限元網格劃分的質量將會越來越高，通過有限元標定得到的A、B值也會越來越準確。有限元法標定的優(yōu)勢也將會越來越明顯。</p

87、><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］胡曉東.振動時效技術的發(fā)展[J].制造技術與機床.2009,11(3)：95-99.</p><p>　?。?］孫海燕,王棟.振動時效的有限元分析[J].科技經濟市場.2006,7(6):41-45.</p><p>　?。?］賀藝,許宜萍.振動時效機理及其在

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94、業(yè)大學學報，1987，13（3）：19-25.</p><p>　?。?7］陳惠南．盲孔法測量殘余應力A、B 系數(shù)計算公式討論[J]．機械強度．1989，11(2)：31～36)．</p><p>　　［18］ 侯海量，朱錫，劉潤泉.盲孔法測量焊接殘余應力應變釋放系數(shù)的有限元分析[J].機械強度，2003，25（6632-636）.</p><p>　?。?9］徐穎

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97、/p><p>　　1. 振動時效的概述</p><p>　　金屬工件在鑄造、鍛壓、焊接、切削加工和使用過程中，由于受熱、冷、機械變形作用，會在工件內部產生殘余應力，使工件在服役過程中產生應力變形和失效。</p><p>　　過去通常采用熱時效和自然時效消除殘余應力。然而自然時效周期太長，占地面積大，不適應大批量生產；熱時效費用高，爐溫控制難，受熱不均易致裂，并在冷卻過程

98、中產生新的應力。振動時效能顯著節(jié)能、降低成本、縮短周期。與熱時效相比，振動時效可節(jié)約成本90％ 以上，節(jié)能95％ 以上，節(jié)約投資90％以上，振動時效通常僅需0．5h，最長不超過1h。振動時效設備輕便，工藝簡單，自動化程度高，不受工件大小、重量、地點限制。</p><p>　　振動時效適應現(xiàn)代工業(yè)社會對能源和環(huán)保的要求，是一種革命性的高新技術。近20、30年來在世界范圍內得到了更為廣泛的應用。</p>

99、<p>　　振動時效，在國外稱之為“VSR技術，它是“Vibratory Stress Relief”的縮寫。振動時效其實就是錘擊松弛法的發(fā)展，錘擊松弛法是給工件一個沖擊力，激起工件的響應，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的振幅作減幅振動。敲擊后的最初振幅大，在工件內引起的“振動力”也大。這一振動力多次反復作用，當它與殘余應力疊加時，在應力集中處超過材料的屈服極限口。引起局部塑性變形，松弛了應力，使應力峰值降低。錘擊松弛法，是

100、敲擊后的“大振幅”對時效起作用。于是人們得到啟迪：可用一激振力，激起工件的響應，并在大振幅下持續(xù)振動一定時間，使工件內的“振動力”與殘余應力迭加，在應力集中處引起塑性變形而松弛應力，在此思想下產生了振動時效技術。它的機理就是在激振器即周期性</p><p>　　外力(激振力)的作用下，使工件(包括鑄件、鍛件、焊接構件等)共振，進而松弛殘余應力，提高工件的松弛剛度， 使其尺寸穩(wěn)定。由于這種方法可以降低和均化工件內的

101、殘余應力， 因此可以提高工件的使用強度，可以減小變形而提高工件的精度，可以防止或減少由于熱時效和機加工產生的微觀裂紋的發(fā)生。通過試驗表明：經過振動時效處理的工件其殘余應力可以被消除20％~80％ 左右，高拉應力區(qū)消除的比例比低應力區(qū)大。 </p><p>　　國內外大量的應用實例證明，振動對穩(wěn)定零件的尺寸精度具有良好的作用，然而對于振動時效穩(wěn)定尺寸精度的機理，迄今為止尚無系統(tǒng)的、滿意的解釋。</p>

102、<p>　　從宏觀角度分析，振動時效使零件產生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無疑是導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應力松馳和零件變形中可知，殘余應力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應力松馳和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和降低殘余應力， 特別是危險的峰值應力。振動時效同樣可以降低殘余應力。零件在振動處理后殘余應力通?？山档?0％~30％ ，有時可達50％~60％ 。同時也使峰值

103、應力降低，使應力分布均化。除殘余應力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一重要因素是松馳剛性，或零件抗變形能力。有時雖然零件具有較大的殘余應力但因其抗變形能力強，而不致造成大的變形，在這一方面，振動時效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動時效的加載試驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件，也高于經熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩(wěn)定。</p><p>　　從微觀方面分析，振動時效

104、可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加應力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體的石墨，故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加，當應力疊加的結果達到一定的數(shù)值后在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形，這塑性變形降低了該處殘余應力峰

105、值，并強化了金屬基體。而后，振動又在另一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止。此時，振動便不再產生消除和均化殘余應力及強化金屬的作用。 </p><p><b>　　主題部分 </b></p><p>　　振動時效的發(fā)展及在我國的應用</p><p>　　振動時效起源于二次世

106、界大戰(zhàn)以后的歐美國家。在上世紀50年代前后，振動理論、測試技術和激振設備都得到迅速的發(fā)展。 從而發(fā)現(xiàn)，在工件的共振頻率下進行振動，可以縮短振動處理時間，消除應力和穩(wěn)定精度的效果更好，能源消耗也最少。 同時，出現(xiàn)了相應的振動設備。這種新型的振動時效工藝和設備的出現(xiàn),立即受到各國的高度重視，迅速應用于生產實踐中。 現(xiàn)在，振動和控制設備日臻完善,振動時效已為十多個工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用。 美某應力消除公司擁有350臺振動時效設備，進行過5000

107、多項振動時效處理。 英國和德國對飛機裝配架的焊接梁和框架普遍采用了振動時效。 前蘇聯(lián)金屬切削機床實驗科學研究院將振動時效工藝推薦給各機床廠，某些重型機床廠的大件和基礎零件全部采用了振動時效。 在能源緊缺、生態(tài)環(huán)境越來越惡化的形勢下，高效節(jié)能減少環(huán)境污染的VSR工藝近二三十年來在國外得到迅速發(fā)展。現(xiàn)在，美、英、德、法、俄、加、比、羅、日等國均已不同程度地把VSR工藝應用于航空、海洋、 鉆探、礦山、機床、紡織、造紙、石油運輸?shù)雀鞣N輕重工業(yè)的

108、鑄、鍛、焊件以及有色金屬工件中。美國、德國、法國、英國都有世界知名的VSR設備制造商。</p><p>　　振動時效（VSR）20 世紀70年代被引進我國。1974 年北京機床研究所正式將VSR工藝列為研究課題,開始進行機床鑄鐵件應用VSR工藝及設備的研究工作，經過幾年的研究，確定了VSR的基本工藝方法，肯定了VSR效果。 隨著研究的進行和深入，在“六五”期間VSR又被列為中國38項重點攻關任務分子項"

109、提高機床鑄件質量的研究" 內容之中,由北京機床研究所負責進行VSR工藝實用性研究。 按期完成研究任務，“ 六五” 總鑒定，VSR工藝研究達到了世界先進水平。 “七五”期間北京機床研究所又承擔國家重點課題“消化吸收重大項目一條龍數(shù)控機床焊接構件振動時效工藝研究”。 “七五” 后我國VSR工藝成熟、完備，VSR設備也達到世界先進水平，基本滿足VSR工藝要求。 “八五”VSR被國家科委、機電部、國務院生產辦列為“八五” 六大重點推廣

110、技術之一。 1999 年原國家經貿委又將其列入全國重點推廣項目；1999 年7月中國機械工程學會又成立了消除應力技術委員會，我國就有了專門研究應力與變形的國家級學術組織；2000 年原國家經貿委又將新一代VSR設備列為國家級重點技術創(chuàng)新項目；2001 年原國家經貿委立項支</p><p>　　VSR在中國從無到有，現(xiàn)在已有幾千臺VSR設備在我國的機床、模具、鍛壓、鑄造、木工、航空、航天、冶金、礦山、鐵道、造船、紡

111、織、核電站等行業(yè)運行。</p><p>　　但因為傳統(tǒng)的振動時效還存在著諸多的問題，始終沒有被大多數(shù)企業(yè)納入正式的工藝流程，在國內外機械制造領域仍普遍采用熱時效處理方式。</p><p><b>　　殘余應力的測試方法</b></p><p>　　殘余應力的測量技術始于20世紀30年代，發(fā)展至今共形成了數(shù)十種測量方法。殘余應力的測量方法可分為機