為精確測量車削加工鈦合金薄壁管件引起的表面殘余應(yīng)力,綜合考慮測量精度、可操作性以及節(jié)約材料等因素,運用有限元法（FEM）分析確定零件合適的軸向長度,結(jié)果表明:當(dāng)管件的軸向長度與外徑比值λ≥1.11時,其邊緣效應(yīng)對于測量結(jié)果的影響可以忽略不計.為對零件剝層后新表面應(yīng)力值變化進行補償,運用FEM修正法對X射線法測得的剝層后表面應(yīng)力值進行修正,測量結(jié)果表明:Ti6Al4V管件車削加工引起的表面殘余應(yīng)力在軸向和切向上均呈壓應(yīng)力狀態(tài),切向應(yīng)力高于軸向應(yīng)力,深度為60μm時,兩個方向的殘余應(yīng)力都已基本趨于0.表明該修正方法計算簡單,其修正精度明顯高于傳統(tǒng)修正方法,可以廣泛運用于實際表面加工殘余應(yīng)力的測量過程. 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2015,47(05)北大核心EICSCD

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驗證管零件長度時施加于模型的預(yù)應(yīng)力根據(jù)式(1)，將柱坐標(biāo)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為X、Y方向的

帳笛榻峁??!""#"""$#""$!""$%""!"#$&’()*"#""#*"!""%&&+,圖1驗證管零件長度時施加于模型的預(yù)應(yīng)力根據(jù)式(1)，將柱坐標(biāo)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為X、Y方向的正應(yīng)力σxx、σyy以及XY方向的切應(yīng)力τxy，而Z方向即零件軸向的應(yīng)力不需要變換，可以直接導(dǎo)入．σxxσyyτ{}xy=cos2θsin2θ－sin2θsin2θcos2θsin2θ12sin2θ－12sin2θcos2{}θσρσθτ{}ρθ．(1)將Matlab計算得到的應(yīng)力文件導(dǎo)入Abaqus中，其達到平衡后如圖2所示．可以看出，應(yīng)力層內(nèi)的殘余應(yīng)力值在深度方向上變化率很高，這是加工引起的表面殘余應(yīng)力的主要特征．圖2長模型施加預(yù)應(yīng)力并自平衡后的效果圖運用Abaqus的“生死單元”技術(shù)將應(yīng)力層單元由外向內(nèi)逐層“殺死”，以此來模擬實際實驗中應(yīng)力層被腐蝕剝層的過程．在每一層單元被“殺死”后，軟件會計算模型內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程，即實際實驗每次剝層后，零件剩余部分的殘余應(yīng)力將會重新分布而達到一個新的平衡狀態(tài)的現(xiàn)象．每去除一層單元并達到平衡后，記錄模型外壁軸向中部的軸向和切向的應(yīng)力值，在實際實驗中，用X射線法測量時測量點也必須選在零件軸向中部位置，以減少邊緣效應(yīng)對測量結(jié)果的影響．上述模型得到的數(shù)據(jù)精度較高，但是缺點很明顯:其軸向太長，在實際操作中存在諸多不便以及浪費材料現(xiàn)象．利用FEM分析確定零件合適的軸向長度．運用Python語言對Abaqus進行二次開發(fā)，保持模型橫截面始終一致，軸向初始長度設(shè)定為20mm，不斷增加軸向長度并進行計算，并與上述模型進行對比，直到精度滿足要求．設(shè)定模型的應(yīng)力值相差不超過0.5MPa為滿足條件．程序流程圖如圖3所示．最終結(jié)果表明:軸向長度達到50m

足要求．由此得出結(jié)論:在測量上述截面形狀的零件表面殘余應(yīng)力時，若取軸向長度為50mm，其精度是可靠的，是綜合考慮測量精度、操作方便以及節(jié)約材料的結(jié)果．!!!!!!!!"#$%&#’()*+,-"#./"#$0123456789:;<=>?"#@A%&&BCDEF./GH)IJ-"#K;>?L&#MN$%OP"#Q’%(&&RST9U;UVWXYZ[\]^_‘a(chǎn)bST9U;UVc>?SdeAfg;789:c>?hAijklmn0op>?OP"#Q)(&&MN!圖3Python二次開發(fā)流程圖2FEM修正方法2.1修正原理根據(jù)上述FEM分析結(jié)果，在軟件Abaqus中建立模型，取外徑為45mm，內(nèi)徑為43mm，軸向長度50mm，同樣將應(yīng)力層平均分成10份，每層的厚度為20μm，采用類型為C3D8R的網(wǎng)絡(luò)進行劃分，將網(wǎng)格的近似全局尺寸設(shè)置為0.8，最終劃分得到的網(wǎng)格數(shù)目為447678．劃分網(wǎng)格后的模型如圖4所示．!"#(a)施加應(yīng)力前完整模型!"#(b)施加應(yīng)力前局部模型圖4在Abaqus內(nèi)建立的網(wǎng)格模型給模型外壁應(yīng)力層施加軸向和切向的殘余應(yīng)力，其達到自平衡后效果如圖5所示．!"#(a)自平衡狀態(tài)下的完整模型(b)自平衡狀態(tài)下的局部模型圖5短模型施加預(yù)定應(yīng)力并自平衡后的效果圖利用Abaqus的“生死單元”技術(shù)，將模型的單元逐層“殺死”，記錄每一單元層被“殺死”前后剩余各單元層的應(yīng)力變化．利用上述模型計算第i次剝層時從第1層(最內(nèi)層)到i－1層(最外層)的此剝層步驟的修正系數(shù)，修正系數(shù)以及應(yīng)力計算公式如下:(Δσh)i=(σh)i－(σh)i－1=－Khiσmi，(2)σch=σmh+∑h－1i=1Khiσmi．(3)式中:i為腐蝕剝層的次數(shù)，取值為自然數(shù);h為腐蝕剝層的深度;(Δσh)i為第i－1次和第i次腐蝕剝層后深度為h處的應(yīng)力值之差;(σh)i－1、(σh)i分?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. 孟龍暉,何寧,楊吟飛,趙威,戎斌.  Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014(05)
[2]TC4管狀零件內(nèi)壁加工殘余應(yīng)力計算及其有限元分析[J]. 孟龍暉,何寧,李亮.  中國機械工程. 2014(19)
[3]TC4零件銑削加工殘余應(yīng)力自平衡前值的測量及其有限元分析[J]. 孟龍暉,何寧,李亮,楊吟飛,趙威.  稀有金屬材料與工程. 2014(08)
[4]X射線衍射法測量鋁合金殘余應(yīng)力及誤差分析[J]. 馬昌訓(xùn),吳運新,郭俊康.  熱加工工藝. 2010(24)
[5]化學(xué)銑切在鈦合金加工中的研究及應(yīng)用[J]. 趙永崗,張春剛,王輝,孫杰,孫慧艷.  表面技術(shù). 2009(06)
[6]Three-dimensional finite element analysis of process-induced residual stress in resin transfer molding process[J]. 戴福洪,張博明,杜善義.  Journal of Harbin Institute of Technology. 2008(02)
[7]車銑加工表面殘余應(yīng)力的研究[J]. 徐驏,金成哲.  制造技術(shù)與機床. 2008(01)



本文編號：3505313