1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 振动时效中盲孔法的数值模拟 所在学院 专业班级 械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 振动时效技术适应现代工业社会对能源和环保的要求，是一种革命性的高新技术。近几十年来在世界范围内得到了更为广泛的应用 。 振动时 效技术的效果主要通过比较时效前后残余应力的大小来评定。 本论文主要研究构件残余应力的测定及盲孔法的有限元模拟，具体内容如下： （ 1）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）对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
2、对应变释放系数 A、 B的实验标定进行了理论分析。 （ 3）运用 ANSYS10.0 软件，通过有限元分析对盲孔法测定残余应力计算过程中的 A、 B系数进行有限元标定。 关键词： 振动时效技术、残余应力、盲孔法、应变释 放系数、有限元分析 Numerical simulation of blind-hole method in VSR Abstract Vibratory stress relief technology adapt to the modern industrial society in energy and environmental protection request,
3、is a revolutionary high-tech. It is widely used in the world in recent decades . We judge the effect of vibratory stress relief technology mainly by determination the size of the residual stress before and after this process. This thesis mainly studies the determination of residual stress components
4、 and the finite element simulation of blind hole method , as follows: (1) Introduces some popular residual stress measuring method: Cutting method, blind hole method, magnetic method, ultrasonic measure method and so on. (2) Detailed derivation the calculation method of blind hole method, and analyz
5、e the experimental calibration of strain energy release coefficient A、 B by theory. (3) Using finite element analysis software ansys 10.0, through the finite element analysis calibration the blind hole method strain energy release coefficient A、 B. Keywords: vibratory stress relief; residual stress;
6、 blind-hole method; strain relief factor; finite element analysis 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3振动时效技术国内外发展现状 . 1 1.3.1 振动时效技术国外的研究现状 . 2 1.3.2 振动时效技术国外的研究现状 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 2构件残余应力的一般测定方法 . 4 2.1机械释放测量法 . 4 2.1.1 逐层铣削法 . 4 2.1.2 切割法 . 4 2.1.3 盲孔法 . 4 2.2非破坏性测量方
7、法 . 5 2.2.1 磁性法 . 5 2.2.2 中子衍射法 . 5 2.2.3 超声波法 . 6 2.2.4 其它方法 . 7 3盲孔法测定残余应力 . 8 3.1基于通孔条件的盲孔法计算应力公式推导 . 9 3.2盲孔应变释放系数 A、 B的实验标定 . 13 3.2.1 释放系数 A、 B值的实验标定 . 14 4盲孔应变释放系数 A、 B值的有限元标定 . 15 4.1实体模型的建立 . 16 4.1.1 建立长方体模型 . 16 4.1.2 建立圆柱体模型 . 16 4.1.3 对长 方体和圆柱体进行布尔运算的减运算 . 17 4.2定义材料类型和单元属性 . 17 4.2.1 定
8、义单元类型 . 17 4.2.2 定义材料属性 . 18 4.3实体模型的网格划分 . 19 4.4加载及求解 . 20 4.4.1 定义分析类型 . 20 4.4.2 自由度的约束 . 20 4.4.3 有限元模型的加载 . 21 4.4.4 运算 . 22 4.5计算结果的提取和计算 . 23 总结和展望 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 29 振动时效中盲孔法的数值模拟 1 绪论 1.1 课题的来源 金属工件在铸造、锻压、焊接、切削加工和使用过程中，由于受热、冷、机械变形作用， 会在工件内部产生残余应力，使工件在服役过程中产生应力变形和失效。过去通常采用热时效和自然时效消除残余应力
9、。然而自然时效周期太长，占地面积大，不适应大批量生产；热时效费用高，炉温控制难，受热不均易致裂，并在冷却过程中产生新的应力 1。振动时效能显著节能、降低成本、缩短周期 2。与热时效相比，振动时效可节约成本 90 以上，节能 95 以上，节约投资 90以上，振动时效通常仅需 0 5h，最长不超过 1h。振动时效设备轻便，工艺简单，自动化程度高，不受工件大小、重量、地点限制。 振动时效适应现代工业社会对能源和 环保的要求，是一种革命性的高新技术。近 20、 30年来在世界范围内得到了更为广泛的应用。 1.2 课题的意义 振动时效技术是利用一个带有偏心轮的激振器，根据构件的尺寸和形状调整激振力和激振
10、频率，其中激振力调到构件所需要的振动强度（附加动应力），激振频率则调到接近工件的固有频率，使用亚共振来提高除应力效率。它的特点是时效时间短，绿色、节能、环保、无污染；设备的所需的投资少。 3 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。 4 目前，
11、人们主要通过对构件振动时效前后的残余应力的大小的测定来检验振动时效效果 5，其中盲孔法是现在比较流行的方法。 1.3 振动时效技术国内外发展现状 1.3.1 振动时效技术在国外的研究现状 振动时效起源于二次世界大战以后的欧美国家。 在上世纪 50年代前后，振动理论、测试技术和激振设备都得到迅速的发展。现在，振动和控制设备日臻振动时效中盲孔法的数值模拟 完善 ,振动时效已为十多个工业发达国家广泛采用。 美某应力消除公司拥有 350台振动时效设备，进行过 5000 多项振动时效处理 6。 英国和德国对飞机装配架的焊接梁和框架普遍采用了振动时效。 前苏联金属切削机床实验科学研究院将振动时效工艺推荐给
12、各机床厂，某些重型机床厂的大件和基础的零件全部采用了振动时效。 在能源紧缺、生态环境越来越恶化的形势下，高效节能减少环境污染的 VSR工艺近二三十年来在国外得到了迅速发展 7。现在 ，美、英、德、法、俄、加、比、罗、日等国均已不同程度地把 VSR工艺应用于航空、海洋、 钻探、矿山、机床、纺织、造纸、石油运输等各种轻重工业的铸、锻、焊件以及有色金属工件中。美国、德国、法国、英国都有世界知名的 VSR设备制造商。 1.3.2 振动时效技术在国内的研究现状 振动时效（ VSR） 20 世纪 70年代被引进我国。 1974 年北京机床研究所正式将 VSR 工艺列为研究课题 ,开始进行机床铸铁件应用 V
13、SR 工艺及设备的研究工作，经过几年的研究，确定了 VSR的基本工艺方法，肯定了 VSR效果。 随着研究的进行和深入， 在“六五”期间 VSR又被列为中国 38项重点攻关任务分子项“提高机床铸件质量的研究 “ 内容之中 ,由北京机床研究所负责进行 VSR 工艺实用性研究。 按期完成研究任务，“ 六五” 总鉴定， VSR工艺研究达到了世界先进水平。 2003 年全国科协大会选定振动时效作为大会宣读论文。 在 2008 年，国防科工委又颁布了振动时效 装甲车辆振动消除应力技术要求（ WJ2696-2008)标准。 这一切为振动消除应力技术的发展和应用起到了极大的推动作用。 VSR 在中国从无到有，
14、现在已有几千台 VSR 设备在我国的机床、模具、锻压、 铸造、木工、航空、航天、冶金、铁道、矿山、造船、纺织、核电站等行业运行。 但因为传统的振动时效还存在着许多的问题，始终没有被大多数企业纳入正式的工艺流程，在国内外机械制造领域仍普遍采用热时效处理方式。 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。 振动时效中盲孔法的数值模拟 （ 2）盲孔 法测定
15、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 ANSYS10.0 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。 振动时效中盲孔法的数值模拟 2 构件残余应力的一般测试方法 2.1 机械释放测量法 2.1.1逐层铣削法 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 8,再根据弹性理论可以推算出
16、被削层内的应力。这种方法的优点是可以测定厚度上梯度较大的内应力 9。 2.1.2切割法 10 切割法普遍适用于构件处于平面应力状态 ,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 ,而使残余应力释放 ,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 2.1.3盲孔法 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
17、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 ，即可利用相应公式计算出初始测试点的残余应力。 振动时效中盲孔法的数值模拟 图 2.2 盲孔法残余应力测量原理图 目前关于盲孔残余应力释放的分析，大致是在 套用通孔分析方法的基础上做些修正，对于由图 1所示应变计测得的释放应变，其应力计算公式为 313122312231312,122t a n24 14 BA（ 2-1） 式中 321 ， ，分别为相应各应变计钻孔后测得的释放应变； A、 B为应变释放系数； 21, 为主应力。 通孔应变释放系数可由 Kirsch理论解得到 2212222112221222144112421rrrrrrdrErdBrrdEA（ 2-2） 式中 、E 分别为被测材料的弹性模量和泊松比 ， 21 , rrd 分别为孔径和盲孔中心到应变计孔端、远孔端距离。 12 盲孔应变释放系数则需由标定 试验确定，假设人为地在构件中施加单向应力场 ( 0, 21 )，应变计 1、 3分别平行于 31, 方向，即 =0，则有
