1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 振动时效的数值模拟 1、 选题的背景、意义 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)和自然时效 (NSR), 自然时效虽不耗能 ,但周期太长 ,不适应大批量生产 。 热时效 ,其周期较自然时效大为缩短 ,应用广泛 ,时效设备耗能高 ,劳动条件差 ,有的还污染环境 ,机械化自动化水平也不高。 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，是将工件在固有
2、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。 振动时效的特点 : (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，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
3、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
4、方法。 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。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。 2、 相关研究的最新成果及动态 美国早在 1983年
5、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
6、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 40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
7、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
8、 的提高，振动时效的应用必将越来越广泛。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。 在振动时效技术的继续提高上，各国的研究者把如何提高激振器的转速，以期解决高刚性材料的找频问题，以及如何合理地制定各种工件的振动工艺方案作为了主要研究和突破方向。但似乎进入了一个技术瓶颈，电动机转速的提高面临着诸多的技术难题，新材料、新设备的不断出现，也使工艺方案的制定变得纷繁复杂。同时，也没有解决振 动时，需要电动机在高转速运行所产生的噪声大；工作电流高，电动机发热的
9、问题。振动时效在 20世纪的后二三十年进入了一个发展缓慢的阶段，但随着电子设备的快速发展，在控制器方面逐渐从简单的人工控制发展到单片机，再到电脑控制，使用设备控制，使用监控越来越方便快捷，但关键性的问题 覆盖面低、噪声高、振型少、应力消除效果不好、工艺方案人工干预较多、制定复杂的问题没有得到实质性的解决。振动时效在企业的应用也进入了一个低潮期。原先购置的设备，或者闲置，或者只能在实验室里作为实验研究课题用机。高污染、高能耗的热时效炉继续被沿 用下来。振动时效留给企业的似乎只有阴影。 在 21世纪初，一种新的振动时效技术 频谱谐波技术在中国出现了，她摒弃了原有振动时效技术攻关方向，突破了原有的技
10、术瓶颈。因为其独有找频方式与处理频率，被称为频谱谐波技术。频谱谐波技术不再沿用原有的扫频方式，而是通过傅立叶方法对工件进行频谱分析找出工件的几十种谐波频率，在这几十种谐波频率中优选出对消除工件残余应力效果最佳的 5种不同振型的谐波频率进行时效处理，达到多维消除应力提高尺寸精度稳定性的目的。频谱谐波方式不论工件大小、频率刚性高低、材料特性，均能找出 5种不同 振型的谐波峰。不受激振器的转速范围限制，对激振点和拾振点无特殊要求，能够处理亚共振无法处理的高刚性、高固有频率工件，能够满足对尺寸精度要求高的工件，振动噪声低，在机械行业的覆盖面已达到 100。处理的转速全部在 6 000 r min以下，
11、也解决了亚共振设备噪声高的问题。 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。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
12、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。 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一定提高 ,即振动使材料得到强化。 3、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 （ 1）研究 内容 首先，了解残余应力测试的各种方法，并分析各自的优缺点；其次，掌握盲孔法测试残余应力的理论及其计算方法，了解影响盲孔法测试残
13、余应力误差大小的各种因素；最后，利用有限元分析软件对残余应力测试中应力释放系数进行标定，掌握有限元分析软件 ANSYS 的应用。 （ 2）研究方 法 1）用盲孔法测量残余应力 若构件内存在残余应力场和弹性应变场，在应力场内任意点处钻一小盲孔(直径为 d，深为 h)，该处的金属和其中的残余应力即被释放，原应力场失去平衡，这时盲孔周围将产生一定量的释放应变 (其大小与释放应力是相对应的 )，并使原应力场达到新的平衡，形成新的应力场和应变场，测出释放应变 e，即可利用相应公式计算出初始测试点的残余应力。 2）用有限元法标定应力释放系数 （ 3）研究难点 1）由于 ANSYS 软件是英文版本，所以在学
14、习和使用的过程中需要对英语水平有一定的要求，需要加强自己的英语水平，方便 该软件的学习和应用。 2）在研究过程中有一定量的公式和计算，需认真复习以前学过的相关知识，达到熟练运用的目的。 3)对实验所产生的结果需认真的分析各方面的原因，并得出合理的结论。 （ 4）预期目标 掌握盲孔法测试工件残余应力的理论及其计算方法，利用有限元分析软件对残余应力测试中应力释放系数进行标定，得出合理的结论。 4、 研究工作详细工作进度和安排 1、根据学校有关管理规定，各系及时做好指导教师及学生的思想动员工作。教师报毕业设计参考选题。每学年第一学期第 7 周。 2、由 各专业建设负责人和所在系进行审题，教师修改 完
15、善设计题目，最终确定设计题目及指导教师。每学年第一学期第 8 周。 3、公布毕业论文（设计）题目，指导学生 选题 （指导教师尽量与本科生导师制对接），各系将选题情况汇总并报分院教务办，各项准备工作就绪。每学年第一学期第 9 10 周。 4、指导教师及时下达任务书，学生开始做外文翻译、文献综述、开题报告。每学年第一学期第 11 17 周开始。 5、 2010 年 12 月 1 日 -2011 年 1 月 10 日，完成文献综述、外文翻译 (2 篇 )。 6、 2011 年 1 月 10 日 -2011 年 3 月 1 日，完成开题报告。 7、 2011 年 3 月 1 日 -2011 年 4 月
16、 10 日，盲孔法测试残余应力。 8、 2011 年 4 月 10 日 -2011 年 4 月 30 日，利用有限元分析软件对残余应力 测试中应力释放系数进行标定。 9、 2011 年 4 月 30 日 -2011 年 5 月 25 日，完成毕业设计说明书，准备毕业 答辩。 5、 参考文献 1 王猛 .振动消除应力的原理与应用 J. 热处理， 2010， 25（ 5）： 57-60. 2 马振宇 .激振时效技术机理研究和装置的开发研究 D.杭州：浙江大学， 2003 3 任耀新 .高频振动时效装置的研究 D.杭州：浙江大学， 2006 4 王政，刘萍，高 玉阳 .A、 B 标定值对盲孔法测定焊
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