1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 III 摘 要 金属的焊接、淬火、铸造、机加工等工艺过程都会使构件产生残余应力。残余应力的存在降低了构件的使用和疲劳寿命，振动 时效技术可以消除残余应力。本课题研究了采用有限元分析软件模拟盲孔法测量残余应力实验，通过标定应力释放系数、，从而计算出该处的残余应力值。 本文首先介绍了振动时效技术中测试残余应力的各种方法，其次介绍了盲孔法测试工件残余应力的理论及其计算方法，然后利用有限元分析软件对残余应力测试中应力释放系数
2、进行标定，最后研究了应变释放系数随孔深 /孔径（ h/d）值的变化而变化的规律。 关键词 ：振动时效；残余应力；盲孔法；有限元分析；应变释放系数 IV Finite Element Analysis of Blind Hole Method Measuring Residual Stress In VSR Abstract The processes of metal welding, hardening, casting, machining will cause components creating residual stress. Residual stress reduces the
3、 fatigue life and used life of components and Vibratory stress relief technology can eliminate residual stress. This study simulated the method of blind hole measuring stress release through finite element analysis software. Then calibration the coefficient of stress release and calculate the value
4、of the residual stress. This article introduces the methods of testing residual stress in the VSR technology, then introduces blind hole method testing residual stress and calculation method of components, calibrating the coefficient of stress release, through the software of finite element analysis
5、. Finally, this paper introduce the coefficient of stress release changing with the value of depth/diameter (h/d). Keywords： VSR; Residual stress; Blind Hole; Finite element analysis; Coefficient of strain release 目录 V 摘要 Abstract 1 绪论 1 1.1 课题的来源 1 1.2 课题的意义 1 1.3 国内外发展现状 3 1.4 课题研究 的主要内容 4 2 构件残余应
6、力的一般测定方法 5 2.1 切割法 5 2.2 逐层铣削法 5 2.3 盲孔法 6 3 盲孔法测定残余应力计算 7 3.1 盲孔法测量残余应力的基本原理 7 3.2 试验方法 标定 9 4 盲孔法中 A、 B 系数的有限元标定 10 4.1 实体模型的建立 10 4.1.1 建立长方体模型 10 4.1.2 建立圆柱体模 11 4.1.3 对长方体和圆柱体进行布尔运算的减运算 12 4.1.4 用平面将体划分为两部分 12 4.2 单 元类型定义和材料属性的定义 13 4.2.1 单元类型的定义 13 4.2.2 定义材料的属性 13 4.3 实体模型的网格划分建立有限元模型 13 4.4
7、有限元模型的加载及求解 14 4.4.1 定义分析类型 14 4.4.2 自由度的约束（边界条件的处理） 14 4.4.3 有限元模型的加载 15 4.4.4 运算 15 4.4.5 计算结果的提取及计算 16 4.4.6查看实体模型的变形量 18 4.5 标定结果及分析 18 VI 5 结论 21参考文献 22 致谢 24 振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 1 1 绪论 1.1 课题的来源 金属的焊接、淬火、铸造、机加工等工艺过程都会使构件产生残余应力。残余应力的存在降低了构件的使用和疲劳寿命，增强了应力腐蚀作用。为了消除应力，人们经常利用传统的方法热时效 (TSR)及自然时效 (N
8、SR) 1。自然时效使残余应力得到释放 ,此法周期长、占用空间大，在工业中运用比较术是最古老的残余应力消除方法，它就将构件放在露天经过长时间在露天环境温度季节性变 化和长时间效应少。热时效技术是目前被运用最广泛的传统机械加工方法，其原理是用炉窑将金属结构件加热到一定温度，保温后控制降温，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生。它的特点是时效效果比较好，但所用能耗大、对环境污染大。然而这两种方法在全球工业化快速发展的今天已经满足不了人们的需求，跟不上时代的步伐了。 相对以上两种时效方法，一种新的、时尚的、简单的、方便的时效方法 振动时效（ VSR）被广大企业所青睐。振动时效，是将
9、工件在固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，消除其残余应力，获得尺寸精度 稳定性的一种方法，具有耗能少、时间短、环保、效果显著等特点。同 TSR和 NSR相比，振动时效具有工艺简单、设备轻便、携带方便、低能耗、无“三废”、易操作、成本低、可处理大尺寸工件、通用性广等特点。 1.2 课题的意义 随着科学技术的不断发展、社会的进步，人们对于环境保护、减少能源的消耗、减少设备投资不断提高。因此振动时效技术越来越受到人们的关注，目前在西方国家该技术已经开始普遍的被推广和使用，我们也在上世纪 80、 90年代开始了对振动时效技术的研究。振动时效技术可以说是热时效的补充和发展，在一定范围内逐步取代热时
10、 效。尤其在当今注重环保和能源短缺的背景之下，对于振动时效技术的研究和推广有着更加重要的意义。 振动时效 的基本思想是通过对应力工件施以交变循环载荷，使工件内残余应力释放，从而使工件残余应力降低，尺寸稳定下来而达到时效之目的。由于其降低残余应力效果与热时效相当，工件尺振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 2 寸稳定性、抗疲劳强度极限还优于热时效，加上无需建一系列热时效所需固定设备、生产周期短、处理地点灵活、投入少、耗能小 (据统计，振动时效的能耗约为热时效的 2以下，生产费用约为 10以下 )、唯一可以进行二次时效的工艺，因此许多国家已经把振动时效作为一项某 些机械构件必须采用的标准工艺。
11、由此可见振动时效技术的推广应用有着重大和深远的意义，尤其是在当今能源短缺的年代 1。 在生产实践中发现，振动时效不仅可以消除工件的残余应力，振动时效后工件的强度指标也有很大提高。这就启发我们，对工件进行振动处理，从而使材料得到强化。 11 振动时效的特点 :2 (1)投资少 ,与热时效相比，它无需庞大的时效 炉，可节省占地面积与昂贵的设备投资。现代工业中的大型铸件与焊接件，如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉，不仅造价昂贵，利用率低，而且炉内温度很难均匀，消除应力效果差。采 用振动时效可以完全避免这些问题。 (2)生产周期短 ,自然时效需经几个月的长期放置，热时效亦需经数十小时的周期方能完成
12、，而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成。而且，振动时效不受场地限制，可减少工件在时效前后的往返 运输。如将振动设备安置在机械加工生产线上，不 仅使生产安排更紧凑，而且可以消除加工过程中产生的应力。 (3)使用方便振动设备体积小，重量轻，便于携带。由于振动处理不受场地限制，振动装置又可携至现场，所以这种工艺与热时效相比，使用简便，适 应性较强。 (4)节约能源，降低成本在工件的共振频率下进行时效处理 ，耗能极小，功率为 0 25 1 0马力的机械式激振器可振动 150 t以下的工件，故粗略计算其能源消耗仅为热时效的 3 一 5，成本仅为热时 效的 8 一 10。 (5)振动时效操作简便，易于实
13、现机械化自动化，可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能进行二 次时效的方法。 振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 3 1.3 国内外发展现状 在现实中振动时效被广泛应用于各行各业 ,在短短的 50年里， 振动时效 技术得到了迅速的推广和方展。美国早在 1983年采用 振动时效 技术的就有 700多家企业，现在发达的欧美国家均以不同程度 的运用到航空、海洋、机床、钻探、纺织、化工、汽车、石油等各种缎、铸、焊金属构件的处理中。在英国，某机床公司生产大型精密机床，其床身与立柱要求精度能够达到 O 01mm 2m。过去采用热时效其精度保持性较差，后来
14、改用振动消除残余应力，满足了精度要求，因此现在已将振动消除残余应力定位该项产品的标准工艺。英国喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率占 30以上，后来采用振动时效工艺，报废率几乎为零。在美国， PX工程公司，用振动时效来消除 8吨重的焊接结构齿轮的内应力，用以减少焊接裂纹； Pont Land电子专业公司，用振动时效处理 4吨重的锻件毛坯，对锻件进行三次振动处理：毛坯、粗加工后、糟如工后。保证了锻件的稳定性。华盛顿钢铁公司，对该公司生产的 47吨重的剪床座进行振动处理。剪床座是用 152mm至 203ram厚的钢板焊成，加强筋为 38mm至 76ram。这样大而重的构件只用 4
15、0分钟的振动处理就代替了过去的热时效处理。西北工艺公司对 1800吨重的海洋铁塔及 1280吨重的钻井平台也采用振动消除残余应力处理。文献对焊接件进行振动消除残余应力效果分析，再次用事实证明了它比热处理更有效。美、英等国在其他工业部门也大量 采用振动消除残余应力，如造纸机械厂、船舶轴承厂、激光焊机厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、采油设备厂、锅炉厂、发电厂等等都用振动时效来消除构件的应力。 自从这种具有节能高效、节资省时、适应性强、使用方便、清洁生产的 振动时效 技术引进我国以后，立刻得到国家的重视。从 70年代起，国内开始注意“ V.S.R”技术， “六五、七五”开始组织
16、攻关，“八五”工艺成熟开始组织推广应用。“九五”期间，由中国机械工程学会牵头继续对振动时效的技术关键 激振器和控制装置的智能化进行完善，目前，振动时效在生产实践 中成功应用的例子不少，市场销售条件己成熟。国家经贸委已明确要求有关部门尽快将振动时效方法纳入制造行业的相关标准中，大力推广这一技术。随着人们对这项技术认识的提高，振动时效的应用必将越来越广泛。 2001年 8月中国机械工业联合会发布文件，正式将 振动时效 技术纳入机床制造标准，极大地推动了 振动时效 技术振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 4 的发展和应用。目前已有约 5000台 振动时效 设备在全国 26个省市的机床，锻压、铸
17、造、木工、航空、航天、冶金、矿山、铁道、造船、纺织、核电站等行业运行，有的企业已将 振动时效 列入正式生产工艺。 1 尽管国内外学者及研究机构 在 振动时效 的理论研究及实际应用中进行了大量的工作，但国内外的研究还处于初级阶段，还有很多理论的不足和技术的不成熟。 目前，许多国家都已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。自1975年以来，该项技术在我国也得到了较快的发展和推广。振动时效工艺在国内经二十余年的研究应用，许多企业都在一 国内外大量的应用实例证明 ,振动时效对稳定零件的尺寸精度具有良好的作用 3。振动时效稳定尺寸精度的机理 ,从宏观角度分析是振动降低和均化残余应力并提高材料的抗
18、变形能力 ,从微观方面分析 ,振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于 零件上的一种附加应力。振动时施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值后 ,在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形。此塑性变形降低了该处残余应力峰值 ,并强化了金属基体。而后 ,振动又在另一些应力集中较严重的部位上产生同样作用 ,直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止 ,此时 ,振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属的作用 2。 1.4 课题研究的主要内容 本文研究的是振动时效技术工艺过程中的时效效果的评定环节。我们利用测定构件时效 前
19、后的构件残余应力的变化量来评定其效果。具体研究内容包括： （ 1）构件残余应力的一般测定方法。介绍了切割法、盲孔法、磁性法、超声波测量法等几种人们比较熟悉并应用较普遍的残余应力测定方法。 （ 2）盲孔法测定残余应力计算。对于运用盲孔法测定构件残余应力的计算方法，进行了比较详细理论推导，并对应变释放系数 A、 B的实验标定进行了理论分析。 （ 3）盲孔法中 A、 B系数有限元标定。运用 ANSYS软件，通过有限元分析对 921A钢构件在盲孔状态下测定残余应力计算过程中的 A、 B系数进行有限元标定。 振动时效中盲孔法测量残余应力的有限元分析 5 2 构件残余应力的一般测定 方法 残余应力的测量问
20、题，早在本世纪 30年代就已为人们关注并开始从事研究工作，并且均使用破坏性较大的机械测量方法。 40年代中期以来，由于电阻应变计(片 )的发明，电测法有了很大的发展，它与机械法配合使用，大大降低了机械测法对构件的破坏性。目前测量残余应力的方法按其对结构是否破坏来讲，有全破坏法、半破坏法和无损法，按其测试原理来讲，可分为机械测定法和物理测定法。机械释放测量方法主要包括截条法、逐层剥层法、切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法、以及释放管孔周应变测量法。物理测量方法主要有 X射 线衍射法、磁胜法、超声波法以及固有应变法等。 9 2.1 切割法 4 切割法普遍适用于构件处于平面应
21、力状态 ,或沿厚度方向变化不大的板状构件。具体作法是 :首先在欲测点上粘贴应变片 ,并用划先工具划出相应的切割线 ,连接仪器后沿切割线切出子单元。单元体由于去掉周围的约束 ,而使残余应力放 , 通过粘贴在单元上的应变片即可测量其应变 (如图 2.1所示 )。 图 2.1 切割法的贴片和切割线示意图 运用切割法对板状构件测定其残余应力可获得较精确的结果 , 但是对构件具有较大的破坏性。 2. 2 逐层铣削法 4 逐层铣削法就是采用铣、研磨抛光、腐蚀、电解腐蚀等方法对已磨削处理过的构件表面进行剥层 ,使构件表面残余应力得到释放 ,引起试件产生变形并确定构件的变形量 ,再根据弹性理论可以推算出被削层内的应力。这种方法的优点是
