非线性共振式振动时效方法及应用研究

摘要

振动时效是消减残余应力的一种有效手段，与自然时效及热时效方法相比，振动时效具有无污染、效率高、成本低、节约时间和能源等特点，在避免热时效过程可能产生构件氧化、构件受热不均而导致裂变或在冷却过程中产生新的应力等方面也具有益处，但至今其应用范围还很有限，还有很大的潜力还没有发挥出来。其中一个重要原因是现行振动时效设备所能产生的激振频率(大都小于200Hz)远低于许多构件的固有频率，无法使构件产生振动时效所要求的共振和动应力。此外部分构件需要较高阶振型以产生相应的动应力来消减残余应力，所以要求振动时效设备能产生较高的激振频率。 针对这一问题，依据非线性振动系统的输出响应频率可不同于输入激励频率的原理，采取现行激振器作用于非线性振动系统使其产生远高于原激振频率的非线性共振，该非线性振动系统再以接近具有较高固有频率构件共振频率的新激振频率作用于构件，使其产生共振和相应的动应力以消减构件的残余应力。本文研究了非线性共振式振动时效方法及应用研究，主要研究内容包括以下几个部分: (1)遵循“加载的动应力与残余应力的叠加大于材料的屈服强度可获得残余应力的减少”准则，要有效消减构件的残余应力，需要了解构件的残余应力的分布规律，以确定所需动应力的分布大小及相应构件的振型与振幅等。本文以等温淬火曲轴为结合点，应用热弹塑性有限元方法分析曲轴经过等温淬火工序后的残余应力分布规律，然后应用有限变形理论分析切削加工工序后的残余应力分布规律，再运用应力叠加原理得到曲轴在等温淬火和切削加工这两道工序后的残余应力分布规律，为构件振动时效所需动应力的分布提供技术依据。 (2)为获取实现消减等温淬火曲轴残余应力所需要的振动动应力，在等温淬火曲轴残余应力分布规律的基础上，利用有限单元法建立曲轴的动力学方程，获取等温淬火曲轴在外部激励和自激惯性力作用下的动态特性，分析等温淬火曲轴各阶振动模态下的动应力分布规律，并确定满足消减残余应力所需要的共振频率、振型、激振力大小等参数。 (3)研究在传统激振器作用下的非线性激振系统的动态特性。建立系统非线性动态分析模型，应用非线性振动理论的多尺度法研究激振块的振动频率、产生的激振力与非线性弹性参数之间的关系和规律，由可解性条件分析消减较具有高固有频率构件残余应力所要求的共振频率、振型、激振力等与非线性振动激振系统的质量、弹性等参数间关系。为了研究构件对非线性激振系统动态特性的影响，将构件简化为弹性元件作用于非线性激振系统。分析了激振系统作用于构件后，为实现构件产生共振，激振系统的非线性参数所进行的调整。 (4)以等温淬火曲轴为例，根据本文的理论研究结果设计一种新型非线性共振式振动时效装置。利用有限单元法计算选取等温淬火曲轴非线性共振式振动时效装置的支撑及夹持方式等各项工艺参数，建立等温淬火曲轴与非线性共振式振动时效装置组成的非线性振动时效系统动力学模型。利用多尺度法对动力学模型进行分析，确定非线性共振式振动时效装置所需的结构及非线性元件等参数。为等温淬火曲轴非线性共振式振动时效装置的研制提供依据。 (5)以上述研究为基础，研制等温淬火曲轴非线性共振式振动时效系统试验平台，通过试验对非线性振动系统的输入及响应进行分析，并将实验分析结果和理论分析结果进行对比，对非线性共振式振动时效新方法进行验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的背景及意义

1．2 文献综述

1．2．1 振动时效的研究

1．2．2 残余应力产生的研究

1．3 非线性系统设计

1．4 非线性系统动力学研究的现状

1．5 等温淬火曲轴振动时效研究的现状

1．5．1 残余应力对等温淬火曲轴的影响

1．5．2 曲轴残余应力分布的研究

1．5．3 曲轴振动时效装置的研究

1．6 课题介绍

1．6．1 课题来源

1．6．2 课题意义

1．6．3 课题主要工作

第二章 构件残余应力的分布规律

2．1 引言

2．2 残余应力产生机理

2．3 淬火残余应力的分析

2．3．1 等温淬火过程的残余应力的分析

2．3．2 构件淬火残余应力场的本构关系

2．4 切削残余应力的分析

2．4．1 切削残余应力产生的机理

2．4．2 切削残余应力的本构关系

2．4．3 切削加工有限元模拟

2．5 等温淬火曲轴残余应力叠加分析

2．5．1 曲轴淬火后残余应力的影响

2．5．2 残余应力叠加机理分析

2．5．3 残余应力叠加分布分析

2．6 实验验证

2．6．1 等温淬火曲轴残余应力计算

2．6．2 等温淬火曲轴残余应力叠加原理的验证

2．7 小结

第三章 构件振动时效动力学特性

3．1 引言

3．2 等温淬火曲轴振动动力学模型

3．2．1 等温淬火曲轴力学模型的简化

3．2．2 等温淬火曲轴的弯曲振动力学模型

3．2．3 等温淬火曲轴单元

3．2．4 等温淬火曲轴振动激励

3．3 等温淬火曲轴振动时效振型分析

3．4 小结

第四章 非线性共振式振动时效方法的研究

4．1 引言

4．2 非线性高频振动时效装置的设计原理

4．2．2 非线性高频振动时效系统超谐共振原理

4．3 装有工件的非线性超谐式振动时效装置动力学模型的建立

4．3．1 非线性超谐振动时效装置工作原理

4．3．2 装有工件的非线性超谐振动时效装置的数学模型

4．3．3 多尺度法

4．3．4 求解非线性超谐式振动时效系统运动微分方程

4．4 小结

第五章 非线性共振式振动时效的应用

5．1 引言

5．2 等温淬火曲轴支撑装夹装置的设计

5．2．1 振动时效时工件所需动应力

5．2．2 等温淬火曲轴仿真模型的建立

5．2．3 曲轴的支撑方式的选择

5．2．4 激振器的安装方式

5．2．5 压板的材料与结构设计

5．2．6 曲轴的支撑材料的选取

5．2．7 激振器选择

5．2．8 非线性弹簧的选用

5．2．9 激振块的设计

5．3 等温淬火曲轴非线性高频振动时效系统

5．4 激振力大小的选取

5．5 等温淬火曲轴非线性动态方程的求解

5．5．1 等温淬火曲轴非线性动态方程的建立

5．5．2 等温淬火曲轴非线性动态方程的求解

5．5．3 系统动力学方程一次近似解的计算

5．5．4 实例分析

5．6 小结

第六章 非线性共振式振动时效试验平台的研制

6．1 引言

6．2 实验设备、规范和方法

6．2．1 实验设备

6．2．2 实验标准

6．2．3 实验参数

6．3 非线性底座动力学实验

6．3．1 锥形弹簧特性实验

6．3．2 锥形弹簧特性实验数据分析

6．3．3 非线性底座的非线性参数

6．3．4 非线性底座的振动测试分析

6．4 仿真模型及数学模型验证实验

6．4．1 未安装非线性激振器的台架

6．4．2 安装非线性激振器的台架

6．5 小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要工作及创新点

7．3 展望

参考文献

附录