加载路径对扭力梁内高压成形壁厚分布和精度的影响

为研究加载路径(内压力和轴向补料的匹配关系)对扭力梁内高压成形的影响,通过数值模拟和试验研究的方法,研究了不同加载路径对局部截面壁厚分布和管件成形精度的影响规律.研究发现:当补料初始压力过低时,在端部区域起皱;当补料初始压力过高时,补料全部集中在端部区域;当补料量过小时,壁厚改善不明显;补料量过大时,端部区域起皱.研究结果表明:初始压力为30 MPa,补料量15 mm时为合理加载路径,此时内高压成形件壁厚减薄较小,成形精度较高.     

电磁胀形管坯所受磁压力的瞬态分布

管坯所受磁压力的准确求解是电磁成形变形分析,优化成形系统工艺参数的基础.通过ANSYS/EMAG软件,用远场单元来说明磁场在远场区间的耗散问题,对电磁胀形时作用在管坯上的磁压力进行准确计算.在线圈长度一定的条件下,讨论了管坯尺寸对磁压力瞬态分布和磁场扩散的影响,并根据管坯端部径向磁压力和中部径向磁压力的比值,提出以磁压力分布不均匀系数来反映磁场不均匀分布的程度.计算结果表明:当管坯和线圈的相对长度大于1时,管坯上与线圈等高处承受轴向拉应力,磁场扩散现象不严重;当相对长度小于0.92时,管坯端部承受轴向压应力,磁场扩散现象严重,相对长度0.92时为电磁胀形均匀成形的条件.     

选区激光熔化AlSi10Mg蜂窝夹层管制备及其力学性能研究

目的 研究SLM工艺参数对蜂窝夹层管残余应力、变形以及力学性能的影响。方法 采用正交试验法研究了不同工艺参数对选区激光熔化成形零件残余应力和变形的影响。通过有限元模拟的方法,仿真AlSi10Mg蜂窝夹层管的3D打印过程,得到成形管件的残余应力分布及变形程度。制备蜂窝夹层管3D打印试样,将实心管作为对照组,对比测试管件在轴向压缩、径向压缩及三点弯曲条件下的力学性能。结果 激光功率对残余应力和变形的影响最大。采用最优参数组合打印的管件微观形貌中不同熔池之间呈现出相互交错的结构,致密度达99.78%。轴向压缩中实心管的承载极限为497 MPa,蜂窝夹层管的最大承载极限为390 MPa。在径向压缩条件下,蜂窝夹层管承载能力是实心管的86.62%。在三点弯曲试验中蜂窝夹层管出现2次波峰,承载极限为52 MPa,与实心管的承载极限非常接近。结论 确定最优参数组合为:激光功率200 W、扫描速度1 200 mm/s、扫描间距100 μm,蜂窝隔板厚度0.6 mm、蜂窝孔对边距离5 mm。相同尺寸的蜂窝夹层管相较于实心管质量可以降低22.68%,其力学性能降低并不明显。     

复合材料管接头拉扭作用下胶层应力分析

发展了一种复合材料胶接管接头在拉伸和扭转载荷作用下胶层内应力分析模型。该模型利用管接头结构中缠绕法成形的管和套管材料、几何形状和所承受载荷的轴对称性,采用一阶层合板理论分析管壁的应力和变形。通过管接头中管、套管和它们之间胶层的位移协调性确定胶层内的应变和应力,从而建立了管接头结构的平衡方程。本模型计算了缠绕角为54°和26°管接头胶层内剥离应力、轴向剪切应力和切向剪切应力,计算结果与有限元分析结果相吻合。      

三台阶轴内高压成形中轴向补料的有限元分析

为研究内高压成形台阶轴过程中轴向补料参数对工艺的影响,利用大变形非线性塑性有限元方法对内高压成形三台阶轴工艺进行了分析,讨论了补料量在理论值的80%～120%变化时零件的壁厚及应变分布规律,并就其成因进行了讨论.研究表明,补料量低于理论值的90%及高于理论值的110%是轴向补料参数选取的危险区间,容易引起折叠或破裂失稳,按照理论计算值进行轴向补料,壁厚及应变分布最为理想.     

加载路径对内高压成形件壁厚分布影响分析

研究了两端非对称管件内高压成形改善壁厚均匀性的方法,采用数值模拟和试验研究对管件内高压成形进行了非对称加载路径和预成形的优化,获得了工件变形过程及厚度分布变化,并分析了加载路径对壁厚均匀性的影响.研究表明:采用优化的加载路径和预成形,补料和内压的良好匹配改善了两端非对称管件轴向补料的效果,形成有益的起皱,进而改善整形过程的应力应变状态,提高了壁厚均匀性和成形极限.     

5A06管材力学性能测试及其缩口成形性的有限元分析

目的研究直径Φ20 mm、壁厚2 mm的5A06铝合金管在单向拉伸试验下的表现以及其在外支承球形缩口成形中的变形特点。方法利用管材准静态单向拉伸试验测试其力学性能,获得真实应力-应变曲线,再结合有限元软件ABAQUS分析管缩口成形的应力应变特征。结果 5A06管在拉伸中表现出良好的应变硬化能力,并呈明显的锯齿波动屈服特性。模拟结果显示缩口中的管坯整体处于周向、轴向压应力状态;主变形区内,轴向应变从缩口口边的拉应变逐渐变为主变形区向直壁过渡区域的压应变;除主变形区外,直壁部分的壁厚也有所增加。Φ20 mm×2 mm的5A06管在模拟中的极限缩口系数约为0.410。结论Φ20 mm×2 mm的5A06管在外支承球形缩口中的模拟成形极限较高,有限元分析作为缩口成形模具和工艺设计的前一步工作,其结果有一定的参考价值。     

TC4 钛合金高压扭转变形过程数值模拟

目的研究TC4钛合金高压扭转变形过程,得到最佳的变形条件。方法以不同高径比的TC4钛合金饼坯为研究对象,利用Deform-3D数值模拟软件模拟其高压扭转变形过程,分析高压扭转变形过程中的变形情况以及等效应变分布规律,分析摩擦因数、变形温度、轴向压力对钛合金高压扭转变形过程的影响并对其进行优化。结果摩擦因数对高压扭转变形过程的影响比较大,当摩擦因数达到1时,高压扭转变形过程相对容易进行。变形温度对高压扭转变形过程的影响不是很明显,不过温度越高,变形越容易进行。轴向压力越大,变形越不均匀,轴向压力选择314 kN为最佳变形条件。结论摩擦因数较大,利于TC4高压扭转变形过程。变形温度对高压扭转变形过程影响不大。轴向压力选择适当利于高压扭转变形过程。     

方管旋压缩径工艺研究

采用旋压缩径工艺将矩形截面管缩成圆形截面管,利用Abaqus软件对旋压缩径工艺进行数值模拟,分析成形过程中的应力应变分布、壁厚变化规律、轴向长度变化及载荷变化规律,对成形中产生的缺陷进行分析,并优化工艺。实验结果验证了成形方案的可行性,并得到较好的成形结果。     

滚滑接触下钢轨热力耦合分析

采用热弹塑性有限元法,对滚滑接触状态下的钢轨进行热力耦合分析,计算钢轨接触区附近的温升和应力/应变,并分析蠕滑率对它们的影响。有限元模型中,考虑材料参数随温度的变化,通过在钢轨表面上移动边界条件来模拟车轮的移动。分析结果表明:热影响区主要在很薄的钢轨表层;钢轨表层温升和热应变均随着蠕滑率的增大而增大。热载荷在钢轨表层产生的周向和轴向残余应力表现为拉应力,其在蠕滑率小时有减小机械载荷产生的残余压应力作用;在蠕滑率较大时热响应对残余应力和残余应变影响明显,且当蠕滑率增大到一定值时,考虑热影响时热力耦合作用下的周向残余应力和轴向残余应力都表现为拉应力,而不考虑热影响时二者表现为压应力,随着蠕滑率的继续增大,考虑热影响时的残余应力和残余应变随之增大。     

Y型三通管内高压成形壁厚分布规律

为了解Y型三通管内高压成形时的壁厚分布及成形压力对壁厚的影响规律,通过数值模拟和实验对Y型三通管的内高压成形过程进行了研究,分析了3个不同成形阶段零件的壁厚分布规律和成形过程中零件典型点壁厚随内压的变化规律.研究表明,成形后零件左侧过渡区圆角处壁厚最大,右侧过渡区圆角处次之,枝管顶部壁厚最薄.利用数值模拟,研究了不同终成形压力对零件壁厚分布的影响,研究发现随着终成形压力的提高,零件的最大增厚率变化不明显,但零件的最大减薄率有显著的增加.     

面向壁厚均匀的液压成形三通管的坯料设计方法与参数优化

目的 研究连续变厚度管液压成形过程中三通管的壁厚均匀性问题。方法 首先,利用有限元软件分析得到了等厚管液压成形三通管过程中的成形规律,根据其成形规律,反向设计了用于液压成形三通管的连续变厚度管坯;其次,采用正交试验方法,研究了连续变厚度管厚区壁厚、过渡区长度对液压成形三通管成形质量的影响;最后,采用多岛遗传算法,对连续变厚度管的结构参数进行了优化验证,提高了液压成形三通管的成形质量。结果 在等厚管液压成形三通管成形过程中,支管顶部壁厚值持续减小、轴向过渡圆角及直管底部中间位置处壁厚值持续增大;环向过渡圆角处等效应力最大,其他位置连续变化;轴向压应力使得三通管壁厚增大,拉应力使得壁厚减小;正交试验结果表明,当连续变厚度管厚区厚度、环向过渡区长度达到某一值时将出现较好的壁厚均匀性;在4种过渡区曲线线型中,直线型的壁厚均匀性最好;通过多目标优化得到最佳连续变厚度管结构参数,并通过有限元仿真进行验证,相对误差均在2 %以内,使用优化后的连续变厚度管液压成形三通管相对于等厚管,壁厚均匀值减小了0.423 mm。结论 可以采用厚度补偿或减薄的方式来提高成形三通管的壁厚均匀性;连续变厚度管坯相比于等厚管,显著提高了液压成形三通管的壁厚均匀性。     

FATIGUE CRACK GROWTH IN DUCTILE MATERIALS UNDER CYCLIC COMPRESSIVE LOADING

Abstract— Mode I fatigue crack growth has been studied in notched specimens of 7017-T651 aluminium alloy subjected to fully compressive cyclic loads. The specimens were first subjected to a deliberate compressive preload which causes plastic deformation at the notch tip. On unloading, this region developed a residual tensile stress field and on subsequent compressive cyclic loading in laboratory air, a fatigue crack was nucleated at the notch and grew at a diminishing rate until it stopped. The final crack length increased with an increase in the value of the initial compressive preload and with an increase in the negative value of the applied cyclic mean load. To gain a better understanding of crack growth in residual stress fields, the magnitude and extent of residual stress induced from compressive preloads have been analysed. This was achieved when extending the notch by cutting while recording the change in the back face strain. From residual strain models it was found that the fatigue crack growth was confined to a region of tensile cyclic stress within the residual stress field. The effective stress intensity range was investigated at selected mean loads and amplitudes, for correlating purposes, using both the compliance technique and by invoking the crack growth rate behaviour of the alloy. Finally, a brief discussion of the fracture morphology of cracks subjected to cyclic compression is presented.     

等离子喷涂ZrC基涂层逐道逐层沉积残余应力模拟与实验验证

采用商用ANSYS14.5软件, 依据复合梁增层力学模型, 采用逐道逐层累积模型模拟了C/C复合材料表面等离子喷涂ZrC基涂层沉积残余应力的特征, 分析了SiC过渡层、第二相(SiC, MoSi₂)和涂层厚度对ZrC基涂层残余应力的影响, 并进行了实验验证。结果表明, SiC过渡层有效缓解了涂层与基体的热失配应力。涂层体系的应力随着涂层厚度的增加逐渐减小, 符合应力松弛和叠加规律。在涂层内部的径向应力以拉应力为主, 基体中主要为压应力, 且在界面边缘存在压应力集中的极限区域, 易使涂层产生裂纹并沿界面扩展。该模拟采用逐道逐层累积的方法更逼近实际喷涂过程, 能更准确预测涂层的残余应力。     

Crashworthiness of straight section hydroformed aluminium tubes

There exists considerable motivation to reduce vehicle weight through the adoption of lightweight materials, such as aluminium alloys, while maintaining energy absorption and component integrity under crash conditions. The interaction between tube hydroforming and behaviour during crash events was studied using lightweight automotive structural members. Dynamic crush tests were performed on 400 mm length sections of both non-hydroformed and hydroformed EN-AW 5018 aluminium alloy tubes. The force versus crush distance data from 76.2 mm diameter non-hydroformed tubes was compared with results from 76.2 mm square cross-section hydroformed tubes of 2.0 and 3.5 mm initial tube thicknesses. The hydroforming operation was performed using a high-pressure process in which the corner radius of the tube cross-section was varied. Explicit dynamic finite element simulations of the hydroforming and crash events were carried out with particular attention to the transfer of forming history from the hydroforming simulations to the crash models. The values of the tube thickness, work hardening, residual stress, and damage level at the end of the hydroforming simulation were used as the initial state for the crash model. The Gurson–Tvergaard–Needleman constitutive model was used to account for damage based on void nucleation, growth, and coalescence. Numerical predictions of the force versus crush distance response were compared to experimental data. The results have demonstrated that it is important to account for thickness changes and work hardening from previous forming operations, in simulating crash events. The energy absorbing capabilities of the hydroformed aluminium tubes decreased with sharper corner radius due to increased thinning of the material during the hydroforming process. It was found that the simulations slightly over-predicted the mean crush force compared to the experimental data.     

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。      

初始应力对三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的影响

目的研究不同初始应力状态下,三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的变化规律。方法采用MIG焊分别对供货态与去应力退火态试板进行多层多道焊,焊后试板经慢走丝切割,经三维光学测量技术扫描切割面轮廓,将所得轮廓数据经所建立的数据处理平台处理,将其结果作为有限元计算的边界条件,经应力反算得到残余应力分布。最后再进行有限元模拟,计算焊接接头残余应力。结果含初始应力、去应力退火和数值模拟的焊缝中心均为拉应力区,最大拉应力分别为480, 450, 523 MPa,且都位于焊缝根部区域。三者试板两侧为压应力区域,最大压应力分别为380, 280, 157 MPa,三者数值相差较大。结论将含有初始残余应力试板、退火处理试板与数值模拟结果的残余应力分布进行对比,可以发现三者在焊缝中心处的残余应力分布较为一致,但沿着焊缝向两侧的区域内,应力差别逐渐变大。主要原因为焊接热循环温度高于金属再结晶温度时可以消除部分残余应力,而温度循环较低时对应力消除不明显,导致实验结果相差较大。     

粘着应力拉伸过程数值模拟及粘着应力模型

为了精确计算粘性介质压力成形过程中粘性介质/板材界面粘性附着作用,分析了压力、剪切速率、温度等因素对粘着应力的影响,提出了粘着应力计算模型.将提出的粘着应力模型引入有限元分析软件中,对粘着应力拉伸过程进行了数值模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,验证提出模型的可靠性.结果表明:采用建立的模型预测的试样伸长量及应变分布与实验测量结果具有较好的一致性.说明建立的粘着应力模型可以准确反映板材/粘性介质界面粘着应力大小,为精确模拟粘性介质压力成形过程提供了模型.     

Effect of water-shower cooling during welding on tensile residual stress improvement in multi-layer welding of austenitic stainless steel plates

Abstract

A new welding method that uses a water shower behind the welding torch has been developed in order to reduce tensile residual stress in a welded region. When this method is applied to the welding of austenitic stainless steel, the welding and cooling conditions mainly determine how much the residual stress can be reduced. To optimize these conditions, we first used the robust design technique to determine the effects of the interpass temperature, the heat input quantity and the water-shower area on the residual stress distribution of bead-on-plate. We found that, to decrease the tensile residual stress, the interpass temperature should be high, the heat input low, and the water-shower area large. Effect of the water-shower cooling on multi-layer welding was examined analytically and experimentally. It was found that the residual stresses were tensile without water-shower cooling, but compressive with water-shower cooling under the optimized conditions. It can therefore be concluded that the new welding method is appropriate for reducing tensile residual stress in multi-layer welding of austenitic stainless steel.