自增强技术提高大尺度孔疲劳性能机理研究

摘要

近20年来,高压水射流技术迅速崛起并得到广泛应用。该技术的特点是压力高且波动大,其动力系统中的许多高压零部件容易发生疲劳破坏。自增强处理技术作为提高超高压容器抗疲劳强度的一项有效措施,已被广泛应用于工业生产各个领域。自增强处理的实质是在工件投入正式使用前对其施加内压,使之产生不能恢复的塑性变形,卸载后可在容器内壁形成有利的残余应力分布,使零部件的疲劳强度得以大幅度提高。
　　本文选取典型的大尺度孔零部件——高压缸体作为研究对象,先从理论角度分析了自增强处理技术提高缸体疲劳性能的理论基础,即经自增强处理后,受残余应力的影响,缸体内壁的当量平均应力大大减小,从而大大提高缸体的疲劳性能。在此基础上,本文用有限元软件对液体自增强处理过程进行了数值模拟,分析了PH15-5材料的热处理条件、自增强处理压力、缸体壁厚对自增强处理后缸体残余应力、塑性变形等参数的影响。从研究结果可知,经自增强处理后,缸体内壁会产生大量的残余压缩应力,该压缩应力有效抵消了部分由工作压力导致的应力,从而降低了缸体内壁的应力水平;研究结果进一步表明,缸体壁厚有一优化区域值的存在,该区域值与普遍使用的高压缸体壁厚相吻合。在此基础上,本文还建立了一个疲劳实验研究平台,并初步测试了几组经自增强处理和未经处理缸体的疲劳寿命。测试结果进一步验证了未经自增强处理的缸体首先出现疲劳失效,其疲劳裂纹发生在周向方向。该结果与分析结果完全吻合。