沉积路径对激光增材制造结构件残余应力的影响

以H13工具钢粉末为原材料,使用激光金属沉积技术快速成形薄壁结构件.采用Fluent开发气体/金属粉末流计算流体动力学(CFD)模型,分析强制对流热损失参数.建立沉积过程热流本构方程,采用生死单元技术模拟金属沉积,基于APDL语言进行编译加载,实现激光金属沉积3D热-力顺序耦合有限元模拟.分析沉积路径对薄壁结构热分布和残余应力场分布不同模式的影响.结果表明:直壁结构拐角局部存在超过工件拉伸强度的残余拉应力,从而导致裂纹生成;与单向沉积路径不同,之字形沉积路径在沉积层中诱导不同符号的残余切应力;单向沉积壁温度梯度相对较低,其残余应力略低于之字形沉积壁,但成形结构件的整体质量较低;残余应力计算结果与实验测量值相吻合,可为特定零件几何形状沉积提供参考.     

基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

基于深度学习技术的金属构件残余应力场反演

金属构件中残余应力会对材料结构的力学性质及稳定性产生重要的影响,因此准确高效地确定构件残余应力分布至关重要。传统用于确定残余应力的方法主要有实验法,有限元仿真和反演方法,然而这些方法成本高昂,计算效率低无法满足实际工程的需要。为了解决上述问题,本文发展了一种基于深度学习技术的高效残余应力反演方法。该方法使用人工神经网络技术代替了有限元模型修正的过程,仅通过试件表面有限测点即可获得整个表面的残余应力分布。与传统有限元模型修正法相比,该方法显著地提高了反演效率,并通过一个方形开孔弹塑性仿真模拟对其效率和准确性进行了验证。     

用于二维分布残余应力场测量的渐进裂纹柔度法

基于传统裂纹柔度法,提出了一种改进的残余应力测量方法——渐进裂纹柔度法.与传统方法只能获得沿厚度方向一维分布的残余应力不同,该方法可以获得工件横截面内二维分布残余应力场.建立了该方法的理论模型,并对二元基函数的选取、渐进裂纹柔度函数的计算以及待定系数方程的求解方法进行了阐述.通过仿真实验用该渐进裂纹柔度法测量了给定二维分布残余应力场.仿真测量结果与给定残余应力场的大部分区域相对误差小于5%,只在边缘部分误差较高.通过模拟研究多种应变测量误差的影响,证明了该方法具有较好的鲁棒性及准确性.渐进裂纹柔度法由于能测量二维分布残余应力场,应用范围较传统方法更为广泛,为残余应力测量提供了新方法.     

等离子喷涂薄壁零件涂层中的残余应力

以等离子喷涂零件为研究对象,提出了薄壁零件与厚壁零件的概念,并建立了一种基于叠加原理的残余应力计算模型.计算结果表明:在涂层中既可能产生拉应力,也可能产生压应力;喷涂零件残余应力极限值位于基体与涂层的结合区域;增层模型和应力叠加方法可有效估算残余应力的松弛;估算值与测量值吻合得较好;热膨胀系数、基体预热温度、涂层厚度对残余应力的影响较大.研究结果对等离子喷涂涂层的设计具有一定的参考价值.     

切割对铝合金厚板残余应力分布影响的仿真与分析

使用有限单元法对切割加工过程对于铝合金厚板残余应力分布造成的影响进行研究,利用大型商用非线性有限元软件MSC.Marc提供的单元生死技术建立7075铝合金厚板切割的有限元模型,对切割前、后铝合金厚板内应力的变化进行模拟,并进行实验验证.仿真和实验结果表明:切割产生的边缘处由于失去原有相邻的材料对其的拉伸或压缩作用,应力减小,应力变化随着与边缘距离的增加而减小;与边缘的距离超过板材厚度的部分应力变化很小,可以忽略;切割对表面应力的影响较大、对芯部应力影响较小;对与其方向垂直的应力影响较大,对与其方向平行的应力影响较小.     

微旋转结构法测量Al薄膜的残余应力

薄膜的残余应力是影响MEMS器件工作可靠性和稳定性的重要因素,微旋转结构法能够简单有效地测量薄膜的残余应力.文中采用MEMS工艺制作Al薄膜微旋转结构,根据微旋转结构法对m薄膜的残余应力进行了测量和计算.实验结果表明,溅射Al膜的残余应力为张应力,大小在80～110 GPa之间.对Al薄膜悬梁进行静电驱动,其驱动电压为31 ～34 V,与根据Al膜残余应力的测量值所计算出的驱动电压基本吻合.     

钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝焊接残余应力分析

为研究钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝的残余应力分布,建立了有限元模型.通过对比单面焊接与双面焊接模型计算结果,分析了顶板-U肋连接焊缝温度场与残余应力分布.同时讨论了顶板厚度与角焊缝焊接顺序对残余应力的分布影响.研究表明:相比单面焊,双面焊模型焊缝附近残余应力更低,且应力梯度更大,疲劳性能更优越.而增加顶板厚度和采用两条角焊缝先后焊接的操作顺序均有助于降低先焊接焊缝一侧的应力、增大焊缝附近应力梯度,并促使应力拐点的提前出现.     

残余压应力场中疲劳短裂纹扩展速率的预测

通过对Newman中心孔裂纹闭合模型加以改进,引入经有限元分析计算得到的残余应力再分布曲线,建立了用于单边圆缺口短裂纹闭合力及扩展速率预测的改进模型。为了验证模型的合理性,对40Cr调质态板状试样的缺口部位进行喷丸,测定裂纹扩展时的残余应力再分布,实测短裂纹的闭合力及扩展速率。结果表明,模型计算与实验测定符合较好。残余压应力提高了裂纹闭合力,减小了最大应力强度因子,从而降低了有效应力强度因子幅值,使裂纹扩展速率下降。     

冷弯薄壁C形钢的残余应力模拟

残余应力的存在会影响冷弯薄壁C形钢构件的整体稳定性。通过对冷弯残余应力的实测结果和分布规律进行分析,建立了接近实际的冷弯C形钢残余应力计算模型,创建能够描述残余应力分布和大小的初应力文件,通过ANSYS将该文件读入有限元构件计算出冷弯残余应力。计算结果与实测结果吻合良好,证明初始应力文件法模拟冷弯C形钢的残余应力是可行的。     

氟金云母陶瓷车削中脆性材料切削热传导理论模型的研究

通过分析可加工陶瓷切削温度变化规律,提出脆性材料在车削中存在着两个不同的温升阶段,反映了切削系统存在的热传导及热积累效应。根据热传导基本理论,建立以刀具-工件接触点为移动热源的脆性材料切削热传导理论模型,结合微元法量化脆性材料车削中的热量分配,采用能接近实际车削中温度场变化形式的镜像热源原理,求解脆性材料切削温度的二次跃迁值。用PCD(聚晶金刚石)刀具车削氟金云母陶瓷,进行切削验证实验,结果表明,脆性材料切削热传导理论模型能够较准确地求解切削温度的二次跃迁值,并反映陶瓷等脆性切削温度场的变化趋势。     

基于断裂力学的数字相关技术残余应力检测方法

提出一种简便的残余应力检测方法,利用数字相关技术检测裂纹扩展过程中试样表面的变形(COD),应用断裂力学理论计算出残余应力分布.通过梁弯曲对试验结果作了验证并与应变测量结果进行了对比,残余应力的检测结果与理论值标准差为1.28MPa.对淬火和焊接残余应力分别作了检测.实际应用表明所提出检测方法具有准确、高效和使用简便的特点.     

采用双光束CO2激光的玻璃切割过程数值模拟

采用双光束CO2激光的玻璃切割技术对平板显示器进行切割.分析了较大热应力产生的区域,建立了运动坐标系下的双光束CO2激光的玻璃切割过程传热数学模型,并对单、双光束激光的玻璃切割过程进行热应力数值模拟.计算结果表明,采用双光束CO2激光切割方法使热影响区域的温度场更加均匀,温度梯度减小,应力减小,可以有效地避免不可控裂纹的产生.提出的采用双光束激光的玻璃切割方法为工程应用提供了新的参考.     

材料损伤的约束应力区裂纹模型与求解

以约束应力描述材料的损伤程度,约束应力的大小和分布取决于材料的损伤状态,建立了描述材料破坏过程的约束应力区裂纹模型。考虑约束应力为线性分布,在远场均匀拉应力作用下,采用Muskhelishivili方法对I型约束应力区裂纹模型进行求解,得到了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解。并通过数值计算研究了各因素对应力强度因子与裂纹张开位移的影响。     

A、B标定值对盲孔法测定焊接残余应力精度的影响

本文利用盲孔应力松弛法测定焊接残余应力,发现标定值A、B不是与应力无关的常量。因此,在什么应力水平下标定出的A、B值才能用于计算残余应力,是影响测定精度的主要因素。本文还通过不同应力水平下的标定试验,提出这种测定残余应力的方法适用于残余应力大于1/4σs的场合。同时,标定A、B时加载应力应在(1/4～1/3)σs之间。在此范围内,加载应力越大,越有利于提高测定精度。     

碳钢高速车削中基于量热法的切削热分配

介绍了基于量热法的碳钢高速车削切削热在切屑、工件、刀具及环境中的量化分配.采用水作为收集切削热的媒介,通过自行设计的适配于高速车床的集屑容器以及分别收集工件和刀具热量的容器,在封闭式高速车削条件下测得各容器中水和承载物的温度变化,从而计算出传入切屑、工件、刀具及环境中的热量和总热量以及热流量.通过测量切削力和设定切削速度,得到主切削力的功率.将算出的总热流量与主切削力的功率相比较,评判用量热法测量切削热时的精确程度.     

有限差分法在铸造应力场模拟中的应用

基于单向热-力耦合模型,用有限差分法(FDM)进行温度场模拟,将所求得的温度结果作为体载荷施加到应力分析的三维模型中,采用不同差分格式对控制方程进行离散,计算应力应变,开发出FDM/FDM铸件热应力场数值模拟系统.该系统使得铸造应力应变分析与传热分析使用同一FD网格模型,避免了采用不同模型进行热-力耦合分析时的结点匹配问题,减小由此产生的单元温度载荷传递误差.采用实际铸件进行了浇注实验和残余应力测试试验,模拟结果与实际情况一致,表明FDM可以用来模拟铸件残余应力的形成和预测热裂产生的倾向.     

基于热-力耦合磨削表层残余应力的仿真分析

为研究磨削后工件表面残余应力的分布特征需要先进行磨削区温度场的分析.通过建立磨削区温度场的数学模型和传热模型,应用ANSYS分析不同磨削参数对磨削区温度场的影响,仿真结果表明磨削深度对最高温度的影响最大.结合磨削过程中产生的磨削力,用APDL程序对磨削区的热-力耦合场进行ANSYS分析,获得工件在恢复室温时磨削残余应力大小及分布状态,揭示热-力耦合情况下对磨削表面残余应力形成的影响机制.通过残余应力试验对比试验结果和仿真结果,验证了仿真方法的有效性.