塑性变形演化对螺纹联接松动的影响研究

通过考虑材料的棘轮效应,数值模拟了螺纹联接早期的松动行为,并以此为基础展开了载荷方向、预紧力、侧向载荷幅值、摩擦因数对这一阶段螺纹联接松动的影响规律研究. 研究结果显示,首次循环可以使得螺栓张紧力大幅下降;在后续的循环中,螺纹联接的材料的棘轮效应不可忽视;在所研究的各影响因素中,侧向载荷幅值对本问题的影响最为明显.      

横向载荷下止动盘螺栓松动有限元分析与改进

针对横向载荷下止动盘螺栓松动失效，借助ABAQUS分析软件，对螺栓初始预紧力、摩擦系数、载荷幅值、载荷频率等进行分析，表明初始预紧力、载荷幅值、摩擦系数是连接松动的重要影响因素。结合止动盘螺栓实际使用状态，提出止动盘螺栓按材料限制最高拧紧力矩施加初始预紧力、定期检查并补充拧紧、安装弹簧垫圈等修理方式可有效防止松动失效。     

钛合金Ti-6242S高温棘轮行为实验研究

为揭示钛合金Ti-6242S的高温棘轮行为特征,对钛合金Ti-6242S在25~520℃的温度范围内进行了单调拉伸、应变循环和应力循环实验. 结果显示:随着温度的升高,钛合金的弹性模量和名义屈服应力降低,延伸率增加;材料在应变循环下呈现出循环软化特性;在应力循环下,材料呈现出明显的棘轮行为,棘轮应变随着加载的应力幅值和温度的增加而增加,且对加载历史具有依赖性;同时,高温下的棘轮应变由塑性应变和蠕变应变共同贡献. 恒定平均应力下,大的应力幅值导致损伤和棘轮行为的交互作用,急剧缩短材料的疲劳寿命.     

基于A-V模型的改进模型及单轴棘轮效应预测

针对A-V模型预测材料棘轮效应初始阶段不理想的缺点，对其参数γ₂进行了修正，同时引入Ramberg-Osgood(R-O)模型和各向同性硬化来计算应力-应变曲线，并确定了A-V模型的材料参数，建立了一种用来描述材料循环塑性行为的改进A-V模型.通过采用改进的A-V模型对Z2CND18.12N奥氏体不锈钢和SS316L钢的单轴棘轮效应进行了预测，并研究了平均应力、应力幅值、应力比和加载历史对单轴棘轮效应的影响.结果表明，改进的A-V模型对材料的棘轮应变预测值与试验值较为一致.     

高应力幅循环历史对U78CrV钢棘轮行为的影响

U78CrV钢轨广泛应用于我国重载铁路,在服役过程中承受具有不同循环历史的滚动接触疲劳载荷,由此诱发的棘轮行为将加剧钢轨的疲劳失效。首先开展低应力幅和高应力幅下的非对称应力控制循环实验,随后进行具有不同循环周次高应力幅循环历史的低应力幅值循环实验,揭示应力幅和应力循环历史对U78CrV钢棘轮行为的影响。实验结果显示,U78CrV钢在非对称应力循环载荷作用下表现出显著的棘轮行为,应力幅的增加会提高棘轮应变和棘轮应变演化率;预加载的高应力幅循环周次越高,随后的低应力幅下的棘轮行为越明显;不同循环周次的高应力幅循环历史降低了低应力幅循环的棘轮应变率,但增加了耗散能密度;不同高应力幅循环历史下的低应力循环疲劳寿命与失效棘轮应变和稳定耗散能密度密切相关,随着失效棘轮应变和稳定耗散能密度的增加而降低。基于稳定耗散能密度建立了幂律函数,可以合理预测高应力幅循环历史的低应力循环疲劳寿命。研究结果对U78CrV钢轨的疲劳失效评估具有重要的参考价值。     

不同载荷条件下椭圆柱齿轮动态接触特性分析

为研究载荷对椭圆柱齿轮动态接触特性的影响,利用LS-PROPOST软件模拟了轮齿的动态啮合过程,结果表明:在轮齿啮合过程中,齿线方向和齿廓方向的等效塑性应变、等效应力和表面压力随轮齿在节曲线上位置的不同而发生变化;在交变载荷条件下,轮齿的等效塑性应变、等效应力、表面压力、轮齿啮合力和力矩均在一定范围内有所增加;在交变载荷和普通载荷两种条件下,轮齿都具有较好的接触性能.     

描述T225NG钛合金高温单轴棘轮行为的黏塑性本构模型

在350℃下对T225NG钛合金进行了单轴棘轮试验研究，提出了一种新的带有记忆面的黏塑性本构模型．引入了能记忆最大应变的记忆面，在记忆面内和面上采用不同形式的塑性流动律，将单调拉伸响应和循环响应独立开来，简化了模型参数的确定方法．在背应力随动硬化演化方程中引入了等效应变门槛值，可较好地描述T225NG钛合金应力一应变曲线的屈服平台及其后的强化效应．加入黏性指数修正，可描述棘轮应变率随循环次数迅速衰减的试验现象．将模型应用于T225NG钛合金350℃单轴棘轮行为描述中，对饱和棘轮应变的预测结果与试验结果吻合较好．     

基于晶体塑性有限元的多晶铜力学行为研究

通过晶体塑性有限元对Voronoi多晶铜的单调拉伸和循环塑性行为进行数值模拟. 单调拉伸的模拟结果发现多晶体的力学响应与晶粒个数相关;试样在拉伸变形中出现45°方向的滑移剪切带和颈缩. 研究结果表明:多晶铜的对称应变循环可呈现出循环硬化和包辛格效应,导致包辛格效应的主要原因是晶间约束产生的残余应力. 在非对称应力循环载荷作用下,平均应力和应力幅值对多晶铜的棘轮行为有显著影响.     

热轧和热处理U75V钢单轴棘轮-疲劳交互作用实验研究

钢轨服役过程中,由循环滚动载荷诱发的棘轮效应是其疲劳失效的主要原因之一。针对现役的热轧和热处理U75V钢开展单调拉伸、应变和应力控制疲劳实验,揭示热处理工艺对材料基本力学性能、循环特性和棘轮行为的影响,进而讨论棘轮效应与疲劳失效行为之间的交互作用。实验结果表明:热处理U75V钢的屈服强度和抗拉强度较热轧态有显著提升,二者均表现出循环软化特性。在相同载荷水平下热处理U75V钢抗棘轮变形能力和疲劳性能明显优于热轧态,当应力幅与屈服应力之比恒定时,相同平均应力下热轧U75V钢棘轮效应更显著。加载的平均应力和应力幅对U75V钢疲劳寿命的影响存在竞争作用,较强的棘轮行为使两种U75V钢疲劳寿命均降低。     

高铁齿轮钢18CrNiMo7-6循环变形行为 实验和本构模型

采用RPL100电子式蠕变疲劳试验机,对高铁齿轮钢18CrNiMo7-6开展了不同应变幅值下的对称应变循环实验,研究了齿轮钢在对称应变循环下的循环软硬化行为;对齿轮钢18CrNiMo7-6在不同应力工况下开展了非对称应力循环下单轴棘轮行为实验,研究了齿轮钢棘轮变形的演化规律.结果显示,在实验研究循环周次内齿轮钢18CrNiMo7-6在对称应变控制循环下表现出循环软化的特征,在非对称应力控制循环下呈现出衰减的棘轮应变率和常棘轮应变率两阶段.通过在Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化律中引入与累积塑性应变相关的棘轮参数的演化方程,建立了修正的循环弹塑性本构模型.模拟结果显示,该模型能够合理预测齿轮钢18CrNiMo7-6的循环软化特征和棘轮行为的演化规律.     

镍钛形状记忆合金管滚珠热旋压成形数值模拟

为了获得高性能、高质量的镍钛形状记忆合金薄壁管,尝试采用滚珠热旋压方法进行镍钛形状记忆合金管的成形．通过采用刚粘塑性有限元法对镍钛形状记忆合金管进行滚珠热旋压成形模拟,获得了镍钛形状记忆合金管坯在不同初始温度下的温度场、应力场和应变场,并进行了旋压载荷的预测．模拟结果表明,旋压件主变形区的温升可达100℃以上,故不宜选择太高的旋压初始温度;旋压成形时主变形区处于三向压应力状态,这将有利于提高材料的塑性,从而实现更大程度的塑性变形;主变形区的等效应力和等效应变数值均由外壁到内壁逐渐减小,说明旋压成形时管坯的外壁比内壁更容易满足塑性屈服准则;随着旋压温度的升高,各方向的旋压载荷均呈下降趋势,轴向载荷远远小于径向载荷和切向载荷．     

高速列车钢轨硌伤致损机理有限元分析

钢轨长时间暴露在自然环境中,经常受到硬物撞击,表面出现不同形状的硌伤,在局部区域出现应力集中,影响钢轨应力分布,严重时引发轮轨滚动接触疲劳,威胁铁路的行车安全。利用有限元软件ABAQUS建立含不同尺寸初始硌伤形状的钢轨模型,研究硌伤对钢轨残余应力、塑性应变累积和裂纹扩展的影响。结果表明,硌伤坑边缘隆起,出现拉应力状态,残余应力呈环形分布,最大等效塑性应变总是出现在硌伤坑底部;循环载荷作用下,塑性应变累积的速率较小,沿加载方向的硌伤坑形貌明显变宽;在不同初始裂纹方向下,轨头的裂纹扩展可分为沿坑壁横向扩展、沿深度纵向扩展、横向和纵向混合扩展3类;对于圆锥形、球形、楔形硌伤,60°初始裂纹扩展速率最快; 3种硌伤形貌中,圆锥形硌伤最危险。     

Abdel-Karim-Ohno模型改进及Z2CDN18.12N不锈钢棘轮效应预测

为更好地描述Z2CDN18.12N奥氏体不锈钢的单轴棘轮行为，在统一黏塑性循环本构理论框架下，改进了Abdel-Karim-Ohno模型.将塑性应变记忆面引进各向硬化率中，之后进行模型参数确定，进而用Abdel-Karim-Ohno模型和改进Abdel-Karim-Ohno模型对Z2CDN18.12N奥氏体不锈钢在室温下的单轴棘轮效应进行研究.利用两种模型分别研究了平均应力、应力幅值、应力率及加载历史等对Z2CDN18.12N奥氏体不锈钢单轴棘轮行为的影响.结果表明：在恒定的加载率条件下，单轴棘轮应变水平随平均应力和应力幅值的增大而提高；随应力率的增大而降低，而且对较低的应力率更为敏感；单轴棘轮行为受加载历史影响显著.通过对比两种模型对材料的单轴棘轮行为的预测结果与试验数据，证明了本文改进模型的有效性.     

兆瓦级风力机组偏航齿圈螺栓联接强度分析

建立兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学模型和偏航齿圈与塔架法兰处螺栓联接三维模型并运用Hypermesh软件处理,在ABAQUS中建立螺栓接触模型,取预紧力为屈服极限σp0.2的60%~80%对螺栓联接偏航过程静力学性能进行分析。研究结果表明:通过对比不同预紧力工况下得出的应力强度与疲劳强度,提出可供参考的预紧力Fv取值范围;当且预紧力为0.7σp0.2时,螺栓及其连接件应力应变最理想,在仅受预紧力和加载极限载荷后最大应力分别为712.5 MPa和733.4 MPa,工作应力下的安全系数SF=1.28,满足强度设计要求,为该兆瓦级风力发电机组偏航齿圈螺栓联接及其他连接系统的应力强度校核、疲劳分析等提供参考,便于进一步优化设计。     

预应力拉杆、圆螺母螺纹的有限元分析

针对某锻造液压机的全预紧组合机架的关键部件——预应力拉杆、圆螺母螺纹的强度计算,采用ADINA有限元程序,对两种不同形状螺纹,分析计算拉杆、圆螺母螺纹区域在最大工作载荷状态下的应力、塑性区域、残余塑性变形,对此类结构的螺纹设计有一定的指导作用。     

横向振动作用下螺纹联接松动过程的实验研究

横向振动作用下螺纹联接的松动是一个复杂的多阶段过程。该研究改造了Junker横向振动试验机,研究了横向振动作用下螺纹联接夹紧力的衰减过程,并对单个振动周期内夹紧力与横向振动位移之间的同步变化进行了实验测量。通过对夹紧力衰减曲线的数值拟合发现,在松动初期夹紧力与横向振动次数之间满足双指数函数关系。该双指数函数反映了松动初期螺纹联接摩擦界面的应变松弛与接触状况的动态变化。该研究得到了该双指数函数的各个参数与横向振动的振幅以及初始预紧力之间的关系,提出的夹紧力衰减函数为螺纹联接松动过程的定量预测提供了参考。     

大鼠皮肤的循环力学性能研究

通过循环疲劳试验,研究了平均应力和应力幅值对大鼠皮肤力学性能的影响.结果表明:大鼠皮肤在拉-拉循环载荷作用下表现出明显的应变累积特性(即棘轮效应),棘轮应变曲线可划分为瞬态、稳态和加速失效3个阶段;棘轮应变及其应变率随平均应力或应力幅值的增加而增大,导致大鼠皮肤的损伤累积加速进而降低其疲劳寿命;循环应力-应变曲线中的滞后环面积、切线模量能够表征大鼠皮肤的循环特性,滞后环面积和切线模量呈现负相关的关联;对应循环疲劳失效的整个过程,滞后环面积经历减小、稳定、迅速增加3个过程;应力-应变滞后环面积随应力幅值的增加而增大,但平均应力对应力-应变滞后环面积的影响没有线性关系,在试验范围内当平均应力为12,MPa时滞后环的面积最小.结合Basquin模型和SWT模型,可以预测在不同平均应力与应力幅值作用下大鼠皮肤的低周循环疲劳寿命.通过石蜡切片技术和HE染色方法,研究拉伸和循环加载对皮肤微观结构的影响.结果表明,拉伸破坏和循环疲劳破坏都归因于纤维束的滑移和断裂,但两者发生断裂破坏的表现形式不同,前者表现为长裂纹扩展导致的拉伸断裂,后者则为短裂纹扩展导致的疲劳断裂.     

核电站内压直管道在位移控制下的棘轮效应

研究核电站直管道在恒定内压和循环位移作用下的棘轮效应,分析了内压、循环位移和多步载荷对内压管道棘轮应变的影响.结果表明:最大棘轮应变发生在直管的环向方向,轴向棘轮应变与环向棘轮应变相比小得多.在相同内压下,棘轮应变随着循环位移的增大而增大;在相同位移下,棘轮应变随内压的增大而增大.采用多步加载时,前一步棘轮变形会降低后一步应有的棘轮应变率,尤其前一步具有较大的位移作用下发生棘轮应变后,这种现象十分明显.根据直管试验装置特点,确定了内压直管在位移控制下的棘轮边界.     

桥梁结构用钢16Mn棘轮效应的塑性流动特性分析

结合桥梁结构中用钢16Mn钢在应力控制下的棘轮效应实验,针对塑性模量H、背应力率偏量与塑性流动方向之间夹角θ等开展了塑性流动特征分析,指出了单轴和多轴棘轮效应的不同影响机制,即单轴棘轮效应的产生和演化决定于相对平均应力对称的正、反向加载点处的塑性模量的变化,塑性模量在正向加载和反向加载时分别遵循着不同演化规律;而多轴棘轮效应的产生和演化是H和θ共同作用的结果,棘轮效应的先前较大加载历史效应是先前较大加载历史对背应力率偏量与塑性流动方向之间夹角θ的影响结果。     

考虑应变非强化区的Ohno本构模型验证分析

对含有塑性应变非强化区的Ohno循环塑性本构方程关于应力、内变量计算和一致切线刚度矩阵计算的过程进行了分析,在此基础上编写了ABAQUS材料用户子程序UMAT。然后用该程序对316L不锈钢材料的应变对称拉压变幅循环、应变非对称拉压变幅循环、应变对称剪切(扭转)变幅循环和轴向拉压棘轮循环等塑性变形过程进行了数值模拟,所得结果合理地反映了材料相应试验过程中的现象。