發(fā)布時(shí)間：2019-09-17 22:18

【摘要】：建立含裂紋缺陷四點(diǎn)彎和超聲表面滾壓加工的耦合三維有限元模型,使用有限元軟件ABAQUS模擬了四點(diǎn)彎及超聲表面滾壓加工過程.分析了超聲滾壓加工前后四點(diǎn)彎試樣三維靜態(tài)裂紋的張開角度、位移、裂紋尖端應(yīng)力場和J積分變化規(guī)律,討論了超聲表面滾壓加工抑制裂紋擴(kuò)展的機(jī)理.結(jié)果表明,超聲滾壓處理后,四點(diǎn)彎試樣表層裂紋發(fā)生閉合,內(nèi)部裂紋張開角度和位移明顯小于未進(jìn)行超聲滾壓處理的試樣;USRP處理后裂紋尖端的拉應(yīng)力降低,且距離超過裂紋尖端0.06 mm的應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力;USRP處理的位置處J積分?jǐn)?shù)值顯著減小,裂紋擴(kuò)展傾向降低.
【圖文】：

28焊接學(xué)報(bào)第38卷1．2四點(diǎn)彎和超聲滾壓加工耦合模型為了更精確的描述硬質(zhì)合金球作用下工件表面的裂紋尖端殘余應(yīng)力場和J積分變化情況，通過設(shè)定不同工作頭的位移載荷，分別建立了應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)四點(diǎn)彎曲模型及超聲表面滾壓加工和四點(diǎn)彎耦合的單點(diǎn)沖擊面－面接觸模型，其中三維靜態(tài)I型裂紋的模擬采用ABAQUS預(yù)置crack的方法．四點(diǎn)彎模型尺寸滿足ASTMG39中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)彎梁試樣標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示．圖1四點(diǎn)彎試樣Fig.1Sizeoffourpointbendingspecimen四點(diǎn)彎夾具的撓度值按照施加應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的90%進(jìn)行計(jì)算，通過式(6)或式(7)求得撓度值y為3．009mm．σ=12Ety/(3H2－4A2)(6)y=σ(3H2－4A2)12Et(7)式中:σ為最大張應(yīng)力為610×90%MPa;E為彈性模量為253GPa;t為試樣厚度為2mm;H為外支點(diǎn)間的距離為110mm;A為內(nèi)外支點(diǎn)間的距離為27．5mm;y為外支點(diǎn)間的最大撓度．模型中工作頭和四個(gè)支柱的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于試件，可視為剛體，其單元類型均為四節(jié)點(diǎn)三維雙線性剛性四面體Ｒ3D4，其中合金球直徑5mm，支柱直徑4mm．試樣的幾何尺寸為116mm×16mm×2mm的長方體，單元類型為8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體C3D8Ｒ．三維I型裂紋位于試樣中部，幾何尺寸為16mm×1mm的平面矩形，擴(kuò)展方向垂直于試樣表面．為避免裂紋尖端產(chǎn)生奇異性，將裂紋尖端的單元類型選為6節(jié)點(diǎn)四面體C3D6，而試樣其他位置的單元類型選為C3D8Ｒ，其中四點(diǎn)彎和超聲滾壓耦合模型共有13165個(gè)單元和16073個(gè)節(jié)點(diǎn)．圖2為四點(diǎn)彎和超圖2有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2FEMmeshgeneration聲滾壓耦合模型的模型網(wǎng)格劃分示意圖．1．3邊界條件與載荷四點(diǎn)彎模型:定義上部支柱為完全約束(U1=U2=U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷?

5mm;y為外支點(diǎn)間的最大撓度．模型中工作頭和四個(gè)支柱的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于試件，可視為剛體，其單元類型均為四節(jié)點(diǎn)三維雙線性剛性四面體Ｒ3D4，其中合金球直徑5mm，支柱直徑4mm．試樣的幾何尺寸為116mm×16mm×2mm的長方體，單元類型為8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體C3D8Ｒ．三維I型裂紋位于試樣中部，幾何尺寸為16mm×1mm的平面矩形，擴(kuò)展方向垂直于試樣表面．為避免裂紋尖端產(chǎn)生奇異性，將裂紋尖端的單元類型選為6節(jié)點(diǎn)四面體C3D6，而試樣其他位置的單元類型選為C3D8Ｒ，其中四點(diǎn)彎和超聲滾壓耦合模型共有13165個(gè)單元和16073個(gè)節(jié)點(diǎn)．圖2為四點(diǎn)彎和超圖2有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2FEMmeshgeneration聲滾壓耦合模型的模型網(wǎng)格劃分示意圖．1．3邊界條件與載荷四點(diǎn)彎模型:定義上部支柱為完全約束(U1=U2=U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷．四點(diǎn)彎和超聲滾壓耦合模型:在上述模型的基礎(chǔ)上增加了超聲滾壓工作頭和試樣上表面之間的面面接觸．單點(diǎn)沖擊過程中試件的底面選擇完全約束．由于USＲP處理前后試樣厚度方向變化量的測量值約為0．12mm，設(shè)定工作頭的位移載荷為－0．12mm．單點(diǎn)沖擊完成后，去除試樣底面的完全約束，而設(shè)定上部支柱為完全約束，并對下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷．兩個(gè)模型的分析步類型均為StaticGeneral，即模型的運(yùn)算過程均采用ABAQUS/Standard進(jìn)行靜力分析．2模擬結(jié)果與討論分析2．1裂紋張開位移圖3為四點(diǎn)彎試樣裂紋張開形貌．對比可知，含裂紋缺陷試樣經(jīng)USＲP處理后，試樣表層的裂紋發(fā)生閉合，且內(nèi)部裂紋張開角度和位移明顯小于未進(jìn)行USＲP處理的試樣．圖3裂紋張開形貌Fig.3ShapeofcrackUSＲP處理和非USＲP處理四點(diǎn)彎試樣的裂紋張開位移所得結(jié)果如
【作者單位】： 中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院;
【基金】：國家自然基金資助項(xiàng)目(51105383) 泰山學(xué)者建設(shè)工程資助項(xiàng)目(2015) 中國石油大學(xué)(華東)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(15CX08006A)
【分類號】：TG663;TG306

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本文編號：2537105