硬度影响压痕弹塑性行为的有限元分析

以具有不同硬度40Cr为研究对象,根据集中载荷下的接触模型和赫兹理论,计算了压痕接触半径和压痕附近弹性区域的表面局部接触应力,并采用有限元法,分析硬度物理量对压痕弹塑性行为、局部接触应力、卸载后保留在内部的残余应力的影响,探讨压痕参数、压痕接触应力、残余应力与硬度之间的关系以及载荷增加时它们的发展.结果表明,相同载荷下塑性隆起量、压痕接触半径、压痕量和塑性区范围随着硬度值的提高而减小,弹性回弹量、最大接触应力和残余应力随硬度提高而增加;压痕周围处接触应力和残余应力、其分布范围和塑性区域随载荷的增加而增加.     

局部载荷下压入响应与材料性能的关系

采用量纲分析法,建立了在载荷作用下压入响应与材料硬度/弹性模量(H/E)之间的无量纲函数,并基于有限元分析结果,分析了材料性能对于压入响应的影响,建立了在一定载荷下,材料性能H/E从0.005到0.025范围内,压入响应参数即压痕深度h、压痕接触半径a、塑性隆起量δ与材料H/E为基本物理量之间近似函数表达式。研究结果表明:材料H/E比值小,压入响应参数变化率随着载荷增加而加快,材料H/E比值大,其变化率慢;在压入响应过程中,压痕周围均产生隆起量;压入响应参数与H/E之间函数表达式拟合精度高达99%以上,在实测中根据压痕参数可计算材料的H/E值。     

残余应力影响压痕尺寸和隆起量的研究

残余应力的存在直接影响材料的力学性能,在压痕法中影响其压痕形状大小、压入载荷-位移曲线和隆起量,因此通过比较压痕形状大小、压入载荷-位移曲线和隆起量的大小,可以推断出构件内部残余应力,再通过有限元研究不同程度的残余应力对压痕形状、压入载荷-位移曲线和隆起量的影响.研究结果表明, 残余压应力使压痕尺寸变小,残余拉应力使压痕尺寸变大,不同性质和大小分布的残余应力使压痕形状为椭圆形,压入载荷-位移曲线斜率和隆起量高度随着残余压应力的增加而增加,随着拉应力的减小而减小,当构件内部存在一定程度的残余拉应力时,随着压入载荷的继续增加出现负隆起量(沉降量),沉降量的大小与压入载荷的大小和残余拉应力的程度有关.     

超声表面滚压加工纯钛梯度材料的力学性能反演与有限元分析

对TA2纯钛进行超声表面滚压加工,研究了其截面显微组织和残余应力分布;采用纳米压痕试验测定距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线并反演得到应力-应变曲线,将该应力-应变关系作为材料属性,采用有限元方法模拟得到载荷-压入深度曲线,通过与试验曲线进行对比对反演方法进行验证,并且研究了初始屈服应力和应变硬化指数对载荷-压入深度曲线的影响.结果表明:试样表层形成晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构,残余压应力随着距表面距离的增加先增大后减小;载荷-压入深度模拟曲线与试验曲线基本一致,最大压入深度的相对误差在8％以内,说明反演方法可靠;随着初始屈服应力和应变硬化指数增大,载荷-压入深度曲线加载段曲率增大,塑性功与总功之比减小,初始刚度变化不明显.     

X80钢超声表面滚压加工残余应力场的有限元模拟

建立了超声表面滚压加工(USRP)的接触分析模型,模拟了X80钢的USRP过程,分析了等效塑性应变和残余应力的分布,并将残余应力的模拟结果与实测结果进行比较。结果表明:X80钢经USRP处理后表层发生了剧烈的塑性变形,并产生了残余压应力;随着距表面的深度增大,表层的残余压应力逐渐减小,并转变为残余拉应力;残余压应力峰值和残余压应力层厚度随位移载荷增大而增大;X80钢表面残余应力的模拟结果的与实测结果的误差约为4.8%,验证了模型的可靠性。     

残余应力与基底效应对光栅厚铝膜纳米压痕耦合影响研究

机刻中阶梯衍射光栅厚铝膜通过真空蒸镀方法获得,其内部存在残余应力,与基底效应耦合作用,增加纳米压入测试与刻划成槽模拟仿真的研究难度。为此,基于材料变形弹塑性接触理论和量纲分析方法,建立具有内部残余应力的光栅厚铝膜模型,研究内部残余应力与基底效应耦合作用对纳米压痕硬度与隆起高度的影响规律。结果显示,随着薄膜内部残余应力变大,铝膜载荷和表面隆起高度减小;受基底效应耦合影响,其二者变化趋势逐渐增大。此研究为机刻衍射光栅厚铝膜力学性能纳米压入测试及刻划成槽研究提供重要参考。     

水射流喷丸强化残余应力场的有限元模拟

针对水射流的高湍动特性与受喷靶体材料复杂的弹塑性形变行为,提供一种水射流喷丸强化残余应力场的有限元分析方法.基于准静态压力分布和非线性轴对称面分布载荷,采用多线性各向同性强化的Mises率不相关弹塑性模型,应用Prandtl-Reuss塑性增量理论及增量初应力法,利用线性斜坡载荷加载制度,运用ANSYS有限元软件模拟不同压力作用下水射流喷丸在2A11铝合金材料表层产生的残余应力场,获得残余应力场的分布规律及残余应力沿层深和径向的变化规律,指出残余应力沿层深分为残余压应力区和残余拉应力区,沿径向分为第Ⅰ残余压应力区、残余拉应力区和第Ⅱ残余压应力区,得到表面残余压应力、表层最大残余压应力、残余压应力层深度随着喷丸压力的增加而增大.为验证有限元模拟的正确性,对喷丸表面残余压应力进行试验验证,结果表明,有限元法计算的表面残余压应力值与试验数据近似吻合.     

基于单颗粒作用模型的晶体材料研磨残余应力研究

为了明确激光晶体材料研磨表面残余应力形成机制,以典型的激光晶体材料YAG晶体为研究对象,利用大型有限元软件Ansys,建立了晶体元件研磨加工过程的单颗粒作用模型,研究了 YAG晶体材料的塑性特性,分析了研磨过程中磨粒机械作用对晶体表面残余应力分布的影响.结果表明,YAG晶体受单颗粒作用载荷18 mN时,晶体材料内部的残余应力主要表现为压应力(最大分布深度约3 μm),但在工件表层(深度＜150 nm)范围内为拉应力,且拉应力最大值超过材料拉伸极限强度,将诱导晶体表面形成微裂纹;当单颗粒载荷为2.3 mN时,晶体表面残余最大拉应力值小于材料拉伸极限强度,可以实现晶体材料塑性域加工去除.     

前混合水射流多弹丸喷丸模型及残余应力场的数值模拟

针对前混合水射流的液固湍动特性与喷丸过程多重非线性耦合作用行为,提供一种射流喷丸强化残余应力场的有限元分析法。采用液固两相流动理论与计算流体动力学方法分析喷嘴内流特性,建立射流多弹丸喷丸模型;基于弹丸速度冲击载荷加载制度,利用多线性各向同性强化弹塑性模型,应用动态接触对称罚函数法,运用ABAQUS软件模拟不同弹丸数量作用下射流喷丸在45钢材料表层产生的残余应力场,获得残余应力场的分布规律及残余应力沿深度的变化规律;得出射流喷嘴内流呈均质流流型,不同弹丸数量射流喷丸在材料表层产生的径向残余应力沿深度的变化规律相同,但在材料表面产生的径向残余压应力值受喷丸模型影响较大,对弹丸分三层排列、相邻弹丸之间径向和周向中心距离均为弹丸半径的多弹丸喷丸模型,数值模拟获得的表面径向残余压应力值与射流喷丸试验数据基本吻合。     

纳米尺度接触过程力学特性实验研究

利用纳米压痕仪进行纳米尺度接触力学特性实验研究,通过金刚石探针与单晶硅试件接触作用,获得不同载荷、不同接触深度条件下的接触压入和脱离接触的位移-载荷曲线,并利用原子力显微镜对接触区域扫描,获得接触区域AFM三维形貌图。研究表明,在不同载荷条件下接触压入,随着载荷的增大,接触深度也随之增大;在不同深度条件下接触压入,随着接触深度的增大,接触作用力也随之增大。脱离接触的时候,接触区有弹性恢复,但有残余变形,接触区域表现出了塑性变形,压痕附近区域没有裂纹情况出现,载荷或接触深度越大,接触塑性变形越明显。此外,在不同载荷、不同接触深度条件下,接触区的压痕硬度和弹性模量相应有不同值,接触压痕硬度值和弹性模量值均有一定变化。     

硬质聚氨酯泡沫在多轴压缩试验下的力学特性研究

硬质聚氨酯泡沫广泛应用于吸能装置。为研究硬质聚氨酯泡沫在多轴载荷下的力学响应,应用静水压试验和围压试验对其进行多轴压缩试验,分析其力学特性和吸能特性。结果表明：在静水压试验中,泡沫材料经历了弹性区域、平台区域和密实化区域三个阶段,相应的体积弹性模量、平台应力和单位体积吸能量均比单轴压缩试验的高;而在围压试验中,泡沫仅经历弹性阶段和峰值后阶段,无明显的平台区域和密实化区域。峰值偏应力随着围压增加而减少,但当围压超过一临界值时,偏应力-轴向应变曲线表现出一定的随机性,丧失了进一步承受轴向载荷的能力。基于试验数据和微分硬化屈服面模型,获得不同塑性应变下硬质聚氨酯泡沫的屈服面。     

螺栓结合面微观接触模型

针对螺栓结合面弹塑性区域内的接触机理难以确定问题,根据在变形状态转变的临界点处微凸体真实接触面积与接触载荷转化均满足连续和光滑条件,构造新的多项式函数来描述接触变形与接触面积之间的关系。利用统计学方法建立螺栓结合面真实接触面、接触载荷与接触刚度模型。理论计算结果表明:随着平均表面距离的减少,接触载荷、接触面积和接触刚度随之增加;接触面积和接触刚度,随着接触载荷的增加而增加,当接触载荷增加一定程度后接触刚度和接触面积值分别趋于理想接触刚度和名义接触面积值;当螺栓结合面处于弹性和弹塑性接触状态时,塑性指数越大,接触面积越大,而平均接触距离和接触刚度就越小,当处于完全塑性状态时,塑性指数越大,刚度和平均接触距离就越大,而真实接触面积影响较小。     

立磨减速机弧齿锥齿轮副动态疲劳性能研究

建立磨减速机输入弧齿锥齿轮副的三维接触有限元模型,借助LS-DYNA软件对锥齿轮副柔性体动力学进行仿真分析,得到锥齿轮副的瞬态接触力,以此为疲劳寿命分析的载荷谱,结合静载作用下的应力结果和锥齿轮副材料S-N曲线,在FE-SAFE中采用最大主应力算法对锥齿轮副进行疲劳寿命分析,并研究了应力集中系数、载荷和残余应力对锥齿轮副疲劳寿命的影响规律。研究结果表明,锥齿轮副寿命随应力集中系数和载荷的增加而减小,疲劳寿命对载荷较敏感;残余拉应力使锥齿轮副的疲劳寿命降低,而残余压应力使锥齿轮副的疲劳寿命提高。     

基于ANSYS/LS-DYNA的受控喷丸工艺过程仿真

将喷丸过程简化为丸粒撞击工件的模型,丸粒看作刚性体,运用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值模拟,分析了覆盖率对残余压应力分布的影响,得出在不完整喷丸覆盖率下工件表面会产生残余拉应力.在单个丸粒模型中,将丸粒的材料改为塑性硬化材料,分析丸粒的速度对残余压应力分布的影响,得出丸粒的材料参数一定时,存在最优喷丸速度,丸速过高会导致丸粒的变形能增加,而使工件表层的最大压应力值和应力层深度下降.     

刀片钝化半径对高温合金切削质量影响的研究

通过不同钝化半径的刀具对GH4169高温合金进行车削正交试验,结果表明:随着钝化半径的增加,表面残余应力先降低后增加;工件环向残余应力随着钝化半径的增加,工件内部残余压应力最大值增大,影响深度随之增加。由表面粗糙度和表面残余应力的敏感程度可知,进给量是影响表面完整性的最主要因素,其次是切削速度和切削深度。分析了不同钝化半径和切削参数对表面完整性特征的影响规律,建立了表面粗糙度表面残余应力的经验公式,得到了用于精加工GH4169高温合金较好的钝化半径范围0.02~0.03mm,以及较优的切削参数vc=60~70m/min,fn=0.05~0.075mm/r,ap=0.2~0.5mm。     

脉动载荷下换热器管板接头塑性失效研究

管板接头是换热器常见失效部位,其中交替塑性失效模式缺乏研究。基于材料的多线性等向强化(MISO)本构模型,对U型管式换热器角焊缝管板接头和新型内孔焊管板接头进行了弹塑性数值模拟。通过提取管板管桥中心及管板管孔附近区域的节点的应力及应变数据,得到了在脉动递增载荷下的双向应力和应变规律。结果表明,在脉动载荷的递增加载与卸载过程中,两管板接头的残余应力与残余应变存在差异;随着脉动幅值的递增,塑性应变不断累积,为防止结构最终发生塑性失效,需对应变进行合理控制。通过分析发现管接头内缘处是较容易发生交替塑性失效的部位,在对换热器管板接头失效分析时,应重视载荷历程和焊接接头形式对管板的影响。     

辊压条件对大型圆锯片适张的影响

基于赫兹接触理论,研究了辊压条件对大型圆锯片适张时内应力分布的影响。根据锯片实际辊压条件建立了有限元简化模型。从残余应力及变形量变化的角度,用静力分析法模拟分析了辊压位置、辊压力大小及滚轮宽度对锯片辊压结果的影响。研究结果表明,辊压对圆锯片产生的应力分布呈局部性;辊压位置选取锯片半径3/4附近位置处辊压较为适宜;残余应力值及变形量与辊压力呈近似正比例线性关系;锯片变形量随滚轮宽度的增大而减小,残余应力随滚轮宽度的增大先增加后减小。对实际生产提供了参考指导作用。     

不同加载条件压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响

应用弹塑性有限元方法,研究不同加载条件下压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区的影响.建立两个具有中心穿透裂纹的高强铝合金板的有限元模型,分别进行不同载荷的拉压加载模拟分析.结果表明,压载荷对疲劳裂纹尖端塑性区有显著影响,在一拉一压加载周期,当拉载荷减小到零时裂纹尖端应力不为零,裂纹尖端应力对裂尖的挤压作用产生反向塑性区,裂尖反向塑性区随压载荷的增加而增加,压载荷的大小是决定裂纹尖端塑性区大小的主要因素,压载荷越大塑性区越大.     

塑性变形T8碳素钢中渗碳体相的残余应力

运用X射线残余应力测量法分析了含有球状渗碳体的碳素钢在拉伸塑性变形后铁素体相及渗碳体相的残余应力情况.结果表明:在经过拉伸塑性变形后,铁素体相呈现残余压应力状态,而渗碳体相呈现残余拉应力状态;当施加的塑性应变在边界应变点之前,渗碳体的残余应力随应变值的增加而增大,而在边界应变点之后,残余应力呈下降趋势.观察发现渗碳体颗粒内部的断裂及渗碳体与铁素体结合边界部分的分离是引起渗碳体残余应力下降的原因.为了更好地理解渗碳体相和铁素体相之间的相互作用,在Eshelby/Mori-Tanaka模型的基础上分析了两相各自的塑性应变及两相间的塑性应变失配.     

含腐蚀缺陷弯管的极限载荷分析

应用有限元分析软件ANSYS对含腐蚀缺陷弯管在内压载荷作用下进行有限元分析。分析中考虑了材料非线性和几何非线性的影响,并根据Binfu失效准则,计算分析出弯管不同缺陷尺寸对弯管极限载荷的影响、弯管缺陷处的应力分布状态以及缺陷处随内压改变而变化的应力应变图。根据腐蚀区的应力应变图,对模型的塑性极限载荷压力进行预测,得出了缺陷尺寸对塑性极限载荷的影响及变化规律。