往复弯曲统一曲率定理及其试验验证

辊式矫直工艺和辊式矫圆工艺均通过往复弯曲方式达到统一曲率的目的,辊式矫形过程中的往复弯曲变形规律是确定矫形工艺参数的理论依据。针对往复弯曲变形过程,建立一套符号系统,将弯曲曲率和弯矩矢量化。基于小曲率平面弯曲弹复方程和应变叠加原理,引入初始当量应变和当量应变的概念,采用图解法对往复弯曲弹复过程进行分析,在考虑稳定金属材料往复弯曲过程中的形变硬化、Baushinger效应和循环软化,分三种情形证明往复弯曲可以湮灭初始曲率的差异,最终使曲率统一到同一方向、同一数值,提出往复弯曲统一曲率定理。进而,设计模压往复弯曲试验装置,选用不同初始形状、不同材料的板坯进行往复弯曲试验,讨论残余曲率半径和拟合圆弧偏差随弯曲次数的变化规律,验证往复弯曲统一曲率定理的正确性,为辊式矫直和辊式矫圆工艺方案和控制策略的制定奠定了理论基础。     

大型直缝焊管三辊连续复合矫形工艺的辊形设计及过程仿真

现有的矫直、矫圆工艺均是分工独立完成的.为了在一个工序中同时完成矫直和矫圆工艺和解决大型直缝焊管成形后椭圆度和直线度的超标问题,提出一种新型的大型直缝焊管三辊连续复合矫形工艺.并以矫后管材的椭圆度、直线度和残余应力最小为设计目标,对该工艺进行过程仿真.结果表明,采用"五段式"的辊形设计并且辊轴各段的设计比例为1∶2∶4∶2∶1有更好的矫圆和矫直效果.此外,管材的椭圆度、直线度以及残余应力均与弹区比有关.当弹区比较小时,管壁截面出现失稳现象.对于同种材料,弹区比越小,管材的变形程度和矫后的残余应力越大.当弹区比分别为0.6和0.8时,均能获得良好的成形效果.矫形段辊形曲线的设计为双曲线的形式,所得到的管材直线度可以达到0.12％,椭圆度可以达到0.06％,满足大型直缝焊管的工业要求.该工艺可实现大型直缝焊管直线度和椭圆度的协同调控,从而缩短生产工艺流程,提高矫形效率.     

大型管件的模压式精确缩径矫圆

提出以模压式缩径矫圆的方式代替机械扩径以减小管件椭圆度,提高其承压强度.模压式缩径矫圆采用闭合后模腔为一整圆的上、下模具对椭圆管坯进行矫圆,为减小矫圆后管坯的回弹,须使整个管坯内外壁均进入压缩塑性变形,即有足够的压缩率.本文采用小曲率曲梁平面压弯的分析方法对模压式缩径矫圆工艺进行了理论分析,推导出缩径矫圆弹复方程,该方...     

大变形恒曲率多辊式止转筋矫直机构研究

为有效提高钢筋生产效率和矫直质量,基于楔钳作用机理,提出一种多点作用辊式止转筋机构:两侧多辊对称压下,中间三辊具有曲率微调作用,针对不同直径的高强钢筋,形成匹配的大变形曲率,并处于楔钳夹持状态,保证后续矫直过程的止转筋。在对钢筋应力应变分析的基础上,采用工程弹塑性力学基本理论,推导出钢筋弹复过程的弹复扭矩方程,结合止转辊力学模型,建立止转筋变形协调方程,确立钢筋止转条件。解析结果表明:该多辊式止转筋机构的止转力矩大于钢筋弹复扭矩,实现钢筋矫直过程止转筋,从而可有效提高矫直精度。     

大型管件扩径矫圆弹复分析

扩径矫圆工艺是大型直缝焊管生产过程中的重要工序之一,研究管件扩径矫圆弹复规律是合理确定扩径矫圆工艺参数的理论基础.将扩径矫圆过程按时序分为整圆、扩径、弹复三个阶段,根据其工艺特点认为整圆阶段为弹性纯弯曲过程,扩径阶段根据管壁所处的弹塑性应变状态又分为完全弹性变形、部分塑性变形和完全塑性变形三种情况,其分界点为弹性临界扩径率λ1和塑性临界扩径率λ2,借助扩径矫圆几何约束方程和弹复方程给出了不同扩径情况下弹复后管坯壁厚中心线任意一点曲率半径的表达式.通过扩径矫圆的物理模拟试验和大型直缝焊管的扩径矫圆试验,验证了理论解析结果的正确性,并从理论上揭示扩径矫圆的工艺原理和主要影响因素对弹复后形状参数的影响规律,具有重要的实际应用价值.     

超细管矫直机反弯辊型设计及矫直精度分析

反弯辊型比双曲线辊型在矫直过程中更加容易形成等曲率反弯,符合实际矫直情况。利用凹凸反弯辊改造十辊矫直机第二、四对矫直辊,提高矫直质量。利用残余曲率理论解析值求出合理的反弯曲率值,并用MATLAB计算并绘制辊型曲线。应用Abaqus分别建立改造前后十辊矫直机模型,模拟矫直过程,对比采用不同辊型模型的矫直效果。反弯辊型矫直压下量更加合理,矫直后直线度、残余应力都好于普通的双曲线辊型,证明了反弯辊型在超细管材矫直过程中的重要性和必要性。     

塑性强化材料矫直反弯特性研究

为了深入研究塑性强化材料在平行辊式矫直过程中一次反弯与二次反弯特性的关系,根据工程弹塑性力学的基本原理,建立基于强化弹塑性材料辊式矫直弯曲力学模型。通过解析法描述两次反弯过程中的应力关系,给出辊式矫直过程中截面弯曲过程材料残余应力分布、弯矩比、加载应力变化过程。证明两次反弯过程中经历一次反弯后,二次反弯截面弯矩比与曲率比不再是原有简单M-C关系,而是与一次弯曲曲率比、二次弯曲曲率比与强化系数相关的函数。理论上证明原有弯曲理论不再完全适用于多次连续反弯矫直过程。解析结果表明,辊式矫直过程中经历二次反弯的材料截面弹性极限弯矩值下降,矫直弯曲减小,回弹比增大。同种材料考虑强化与不考虑强化矫直后残余应力均方差分别为71.2与65.6,回弹比均值分别为0.49和0.43。     

平面曲梁纯弯曲等价定理及其试验验证

平面曲梁的纯弯曲过程是固体力学领域中的一个重要分支,但是由于曲梁初始曲率的存在,导致对其精确解析的复杂性。相对而言,直梁的平面弯曲及弹复过程却相对容易实现定量预测。为简化平面曲梁纯弯曲的理论分析模型,针对小曲率平面曲梁的小弯曲变形特点,通过引入曲梁截面弯曲应变的线性分布假设导出曲梁纯弯等价定理。基于板材的四点弯曲特点,同时依托于高精度的三坐标测量仪器,采用不同的板坯试样在不同的弯曲工艺条件下的试验验证该等价定理的可行性。最终试验结果表明,采用直梁弯曲的曲率叠加曲梁初始曲率的方式来代替曲梁弯曲后曲率值,最终结果的绝对误差小于5×10–5,相对误差不大于4.5%,完全满足工程精度的需求。     

中小型轴类零件旋转弯曲矫直工艺数值模拟研究

直线度是轴类零件重要的质量参数之一,矫直是轴生产过程中的一道必要工序。针对现有矫直工艺的局限性,提出中小型轴类零件旋转弯曲矫直工艺。基于通用有限元软件LS-DYNA,使用Y-U强化模型对工艺过程进行了数值模拟研究,揭示其矫直机理,探究各因素对矫直效果的影响。研究结果表明,矫直过程中材料任意质点应力均经历多次的正负交替变化,在逐渐卸载过程中使轴向任意微段的曲率逐渐趋近于零,实现其矫直。残余挠度随着弯曲量的增加而降低,当弹区比达到0.2时,残余挠度达到了最小。随着旋转速度的增加,残余挠度先减小再增大,当旋转速度与弯曲量的比值为125r/rad时,矫直效果较好。长径比、初始挠度(大小及挠曲形式)以及初始残余应力对矫直效果影响较小,采用相同的工艺参数均取得了良好的矫直效果。数值模拟结果验证了工艺的可行性,无需经过复杂的初始挠度测量,光轴和阶梯轴矫直后残余挠度均在0.1mm以内。     

辊式矫直系统钢筋压下挠度计算方法研究

辊式钢筋矫直过程中压弯挠度工程计算方法的研究可以有效提高钢筋矫直精度。针对一个典型矫直单元,运用弹塑性理论,通过建立适当的数学模型,对任意弯曲状态的钢筋在矫直过程中的应力及应变进行分析,基于MATLAB和弹塑性力学分析方法,通过多项式曲线拟合,揭示了反弯曲率比、弯矩和挠度之间的数学关系,推导出显函数关系式,利用残余曲率比,经过简单的数学计算就可以计算出反弯挠度,便于参数化计算,为辊式矫直压下量的工程计算奠定了理论基础。     

基于辊式调直理论的钢带调直影响因素分析

针对钢带调直效果差和调直因素多样化的问题,分析了辊式调直原理,对钢带调直过程中挠度、曲率和转角的变化进行了分析。建立了辊和辊之间的力学模型,推导了力学方程,得到了钢带调直过程中力学性能变化曲线,建立了钢带调直机整体三维模型,进行了整体有限元分析,得到了钢带调直过程中辊子与钢带之间的力的变化;针对调直过程中工作辊和工件均产生挠度变化这一特点,通过解析法得到了其变化规律;通过受力分析得到了三辊之间的转角变化规律;分析了压下量的大小对调直精度的影响,得到了接触点的变化轨迹。研究结果表明:挠度、转角和压下量的变化可以满足调直精度要求;仿真结果验证了影响参数的分析方法是合理的。     

纯弯曲过弯矫直等价原理及其试验验证

矫直是大口径埋弧直缝焊管生产过程中处理直线度不达标管件的关键性技术,研究矫直过程中的变形规律是合理确定矫直工艺参数的理论基础。根据矫直过程中弯曲小变形的特点,提出初始当量应变的概念,借此建立平面曲梁初始曲率分布与应变分布之间的联系。基于弹塑性小变形纯弯曲工程基本假设,导出平面曲梁小变形反向纯弯曲的几何方程和弹复方程,进而理论上论证曲梁过弯矫直与直梁纯弯曲之间的等价关系,从而给出过弯矫直等价原理,即曲梁矫直所需弯矩载荷与同材质、同形状的直梁弯曲成待矫曲梁形状所需载荷的等价关系。用三点弯曲和四点弯曲及其反向弯曲试验证实过弯矫直等价原理的正确性,为过弯矫直工艺方案和控制策略的确定奠定了理论和试验基础。     

矩形截面型材平面拉弯弹复解析和试验验证

在满足工程应用要求的平面拉弯基本假设下,构建矩形截面型材平面拉弯的力学模型。详细描述拉弯变形后型材横截面上应力应变分布的不同状态,基于双线性材料模型假设给出不同状态下应力应变的数学表达式,通过对截面应力的积分推导出应变中性层、截面弯矩与拉力和弯曲半径的关系,并给出不同应力应变分布状态的判定条件。确立矩形截面型材平面拉弯弹复问题的理论解析方法并给出拉弯弹复的规律,表述弹复后的残余半径与拉力和弯曲半径的关系。设计一种新型的拉弯试验模具并开展矩形截面型材拉弯弹复的试验研究,利用有限元分析软件ABAQUS开展基于物理试验的有限元模拟分析,物理试验和有限元分析所获得的拉弯弹复规律与理论解析结果一致,数据吻合。该研究方法为其他截面型材拉弯弹复的研究提供理论参考,研究结果具有一定工程应用价值。     

大型直缝焊管四点弯曲JCO成形及其弹复解析

提出了一种大型直缝焊管生产的新工艺--四点弯曲JCO成形,采用该工艺最终成形的管坯径向截面的几何形状为曲率一致的圆,且成形道次少,生产效率高。通过宽板四点弯曲试验,验证了理论解析的正确性,为将来实际生产中通过调整凸模行程控制成形管坯曲率提供了理论依据。理论和试验数据均表明弹复前后的曲率为线性关系,这为四点弯曲JCO成形过程智能化控制提供了便捷。基于上述理论进行了管坯四点弯曲JCO成形试验,获得了理想成形管坯,且成形道次仅13道次,相对传统工艺25道次,生产效率得到显著提高。     

管线钢管JCO精确弯曲成形技术

为了减小管线钢管JCO成形工艺中成形管坯的椭圆度,基于塑性弯曲工程理论和机器视觉测量技术提出了管线钢管JCO精确弯曲成形工艺。在管坯首道次成形过程中,采用两次预弯法,识别出板材的弹复规律,结合管坯目标成形角,预测出精确的压制行程;在后续成形道次中,利用误差补偿技术循环补偿上一道次的成形误差,实现管坯每道次精确弯曲成形。确定了适合管坯端面的图像处理算法、图像处理流程和直线检测算法,提出了采用正三角形作为标定模板求解摄像机外部参数的标定方法,由单幅图片快速、高精度地标定出摄像机的外部参数,建立了将图像角转换为管坯真实成形角的数学模型。实验结果表明,管坯成形角监测误差在0.2°以内,可控制成形管坯的椭圆度在1.5%以内,减小了成形管坯的椭圆度,改变了成形管坯的椭圆度控制依赖于操作者经验的现状。     

少齿数非对称斜齿轮弯曲疲劳应力特性分析

少齿数非对称齿轮在越来越多的小型化、轻量化和节能高效领域得到研究与应用,而对其弯曲疲劳应力特性研究较少。基于齿轮加工原理,搭建齿轮的全齿廓坐标方程,提出包含非对称齿廓和切向变位的少齿数非对称齿轮齿根弯曲应力的解析计算方法,并与有限元方法的计算结果进行对比。采用数控加工方法高效加工少齿数非对称齿轮和少齿数对称齿轮,通过高频疲劳试验机对少齿数非对称齿轮与对称齿轮进行弯曲疲劳强度试验,利用疲劳累积失效假设,对不同应力水平的试验结果进行分析,得到完整真实的C-R-S-N曲线,为少齿数非对称齿轮弯曲疲劳寿命估算提供依据。结果表明,用解析法计算,少齿数非对称齿轮齿根弯曲强度比对称齿轮提高13.64%;用有限元法计算,少齿数非对称齿轮齿根弯曲强度比对称齿轮提高14.78%;在相同载荷下,少齿数非对称齿轮比对称齿轮的弯曲疲劳寿命平均提高46.86%,这与解析法和有限元法结果一致;为此类研究提供参考方法。     

焊后热处理对20G钢焊接接头残余应力的影响

采用X射线应力分析仪和电子背散射衍射仪(EBSD)等分别研究了热处理前后20G钢焊接接头的表面残余应力和微区残余应力。结果表明:热处理前后焊接接头的表面残余应力均以焊缝为中心呈对称分布,且随距焊缝中心距离的增大而下降,热处理后的平均残余应力比热处理前的降低了7.21%;热处理后焊接接头焊缝区、热影响区和母材区的晶粒发生再结晶转变,晶粒得到细化;再结晶导致局域取向错配角的平均值减小,微观残余应力得到释放,且分布更为均匀,但焊缝区的微观残余应力依然较高。     

章动式双圆弧螺旋锥齿轮齿面曲率与运动特性研究

为了准确评估章动式双圆弧锥齿轮副两处啮合区域之间的啮合特点和差异，对表征齿轮传动质量好坏的曲率和相对运动参数进行了理论计算研究。首先，基于齿轮空间啮合原理，推导了双圆弧内、外锥齿轮的齿面参数方程；接着，在此基础上建立了章动传动啮合坐标系，采用齿面接触分析(TCA)方法，得到了无装配误差情况下接触点的运动轨迹；然后，根据微分几何理论推导出了接触点处各类曲率和速度的数学表达式，并根据赫兹(Hertz)弹性接触理论确定了齿面接触区形态；最后，采用算例分析了接触点的主曲率、诱导法曲率、卷吸速度、相对滑动速度和滑滚比等变化趋势及其反映的特性。研究结果表明：椭圆长轴方向诱导法曲率接近0,短轴方向诱导法曲率绝对值较小，由齿面公法矢量方向可知，两啮合区域在传动过程中不发生曲率干涉现象，且具有良好的接触强度；相对滑动速度远小于卷吸速度，这有利于减小磨损；两区域的滑滚比均趋近0,表明传动接近纯滚动；瞬时接触点和齿面接触区均位于啮合齿面中部并沿整个齿宽方向分布，有限元结果与理论计算结果一致。该研究结果可为章动式双圆弧锥齿轮的弹流润滑和磨损分析提供理论基础。     

采用显微硬度压痕法测量微区残余应力

测量材料微区残余应力的大小和分布,对于研究微观断裂机制具有非常重要的意义,一直是研究的热点和难点.尝试利用常规的维氏显微硬度压痕法研究和测量了材料中微米级微区的残余应力,推导出了残余应力与压痕面积比之间的理论公式,并选取低碳钢、紫铜和铝合金等三种具有不同性能的薄板材料,利用"三点弯曲"人为"原位"引入应力,通过试验测量对该方法进行了验证,并与原有的理论和方法进行了对比.结果表明:该测量方法测量准确.     

基于统一强度理论的断裂准则

基于统一强度理论,在小范围屈服条件下,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围的统一解析解。给出不同拉压比α、泊松比υ、中间主应力影响参数b以及裂纹倾角β下的一族塑性区形状与大小的轨迹,讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响。最后基于裂纹尖端塑性区的解析解,提出了一种复合型裂纹断裂准则,分析了裂纹倾角与初始断裂角的关系。结果表明,该准则预测结果比其它准则更精确,与试验结果吻合得非常好。