大型挤压筒复杂服役条件下蠕变疲劳损伤机理与寿命预测

摘要

挤压产品因其材料损耗少、生产效率高、符合现代工业绿色低碳的发展趋势而得到广泛应用。大型挤压筒是重型挤压机的关键部件之一，其耐用性和服役寿命对挤压成本的影响很大。生产实践表明，由于长期承受循环高温高压的作用，大型挤压筒的失效常表现为疲劳蠕变损伤引起的内层筒脱出、筒体变形甚至断裂等，而目前国内外对此方面的研究极为有限。本文以某尺寸大型挤压筒为研究对象，重点研究在疲劳、蠕变和疲劳蠕变交互作用下的挤压筒服役寿命计算方法，以期为大型挤压筒设计提供可借鉴的准则。
　　本文的主要研究内容如下：
　　以Lamé公式为基础，引入DDM方法对挤压力作用下的多层挤压筒应力分布进行分析，研究挤压筒应力分布的一般规律与计算方法；
　　为实现对挤压过程中挤压筒应力场演变规律的分析，在前人有限元分析基础上，对挤压过程下的复杂载荷边界条件进行简化。在仅考虑内部径向斜坡加载和温度对材料物理性质的影响情况下，推导了挤压筒在挤压全过程中的应力分布演化的计算表达式；
　　采用估算法确定筒体材料H13钢的疲劳S-N曲线，并通过疲劳试验加以验证；由蠕变试验确定材料蠕变率表达式，为后续挤压筒寿命分析奠定了基础；
　　对疲劳、蠕变二者单独作用下的挤压筒寿命进行分析；以过盈量变化为耦合点对疲劳蠕变交互作用重新定义，即认为蠕变变形导致过盈量改变、影响应力分布并使疲劳损伤发生变化，应力分布的改变又反过来影响蠕变率和蠕变变形，疲劳蠕变交互作用寿命为循环挤压下的最先发生破坏的疲劳寿命或蠕变寿命，依此定义对挤压筒疲劳蠕变交互作用寿命进行了分析。
　　本文采用材料试验与理论分析相结合的方式对大型挤压筒的寿命进行分析，研究结果可为基于疲劳蠕变交互作用的挤压筒设计提供参考。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 挤压设备发展概述与挤压过程研究现状

1.2 挤压筒设计与研究现状

1.3 材料疲劳蠕变及其交互作用概述

1.4 课题来源、研究目的与主要研究内容

2 挤压筒应力分析理论基础

2.1 单层挤压筒应力分析

2.2 多层挤压筒应力分析

2.3 挤压筒应力分析实例

2.4 本章小结

3 挤压过程中挤压筒应力场演变分析

3.1 载荷边界条件简化

3.2 应力场演变公式推导

3.3 分析实例

3.4 本章小结

4 H13钢疲劳蠕变试验研究

4.1 疲劳性能估算与试验

4.2 蠕变试验

4.3 本章小结

5 挤压筒寿命预测与分析

5.1 材料疲劳对挤压筒寿命的影响

5.2 材料蠕变对挤压筒寿命的影响

5.3 疲劳蠕变交互作用对挤压筒寿命的影响

5.4 本章小结

6 结论

6.1 研究重点与创新

6.2 不足与改善建议

致谢

参考文献

附录 A. 作者在攻读学位期间参与的研究项目