芯辊疲劳全寿命和裂纹扩展的数值模拟

摘要

环件轧制是一种优质高效的先进生产制造技术，具有生产成本和设备要求低、产品质量好、生产效率高、节能节材等优点，常用于生产轴承环、齿轮环等无缝环形零件，在许多工业领域获得广泛应用。芯辊因作为环件成形模具零件，受大的交变载荷、摩擦、挤压等共同作用，极易疲劳破坏，是中小型轴承环及其他金属环件辗扩生产工艺中最频繁、最常见的失效零件，约占全部失效的50％-90％。冷轧芯辊寿命的长短也直接关系着生产效率和成本。 本文针对冷辗扩芯辊的疲劳破坏现象，分别研究了芯辊疲劳破坏基于S．N曲线和Miner线性累积准则的S-N曲线方法以及基于Paris裂纹扩展法则的线弹性断裂力学方法。这两种方法能够有效地解决芯辊疲劳总寿命及其裂纹扩展的计算模拟问题。 结合环件轧制工艺，对轧制过程中芯辊进行力学分析，建立了芯辊有限元模型，运用MSC.Nastran/Patran对其进行静力学分析，得到芯辊表面的应力状态和危险点。通过对圆角过渡处结构进行适当优化，改善了表面应力分布状态。 在有限元分析结果的基础上，利用MSC.Fatigue对芯辊进行全寿命模拟，建立了W6Mo5Cr4V2钢的通用S-N曲线，比较了优化前后芯辊的寿命结果以及最小寿命位置，分析了载荷比例因子、机加工方式、表面处理方法以及材料的力学性能对芯辊疲劳寿命的影响关系。指出了模拟结果和真实状况之间的误差及其来源。 基于线弹性断裂力学的基本理论，探讨了芯辊疲劳裂纹扩展阶段寿命的估算方法，运用MSC.Fatigue疲劳分析软件对芯辊进行裂纹扩展分析。建立了W6Mo5Cr4V2钢的da/dN曲线和芯辊疲劳裂纹的标准样本图形以及柔性函数曲线，得到了裂纹扩展临界尺寸、扩展阶段的应力循环次数和扩展速率，以及裂纹长度与循环次数关系曲线。通过设定材料不同的力学性能进行裂纹扩展分析，得到了抗拉极限强度和弹性模量对裂纹扩展速率的影响关系曲线。并对实验进行了设计，给出了两种芯辊表面疲劳裂纹监测的实验方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.1.1冷辗扩芯辊的国内外研究现状

1.1.2疲劳问题发展历史及现状

1.2疲劳失效的基本理论

1.2.1芯辊疲劳破坏机理

1.2.2疲劳破坏与静力破坏的本质区别

1.2.3影响疲劳强度的因素

1.2.4疲劳分析方法

1.2.5疲劳寿命预测中的不确定性

1.3课题的目的和意义

1.4本论文的主要研究内容

1.5本章小结

第2章芯辊疲劳模拟的有限元分析基础

2.1引言

2.2分析软件MSC.Patran/Nastran及MSC.Fatigue简介

2.2.1 MSC.Patran的功能和特点介绍

2.2.2 MSC.Nastran的分析功能介绍

2.2.3疲劳分析专用软件MSC.Fatigue简介

2.3运用MSC.Fatigue进行芯辊疲劳分析的基本步骤

2.4芯辊疲劳分析方法及其选用

2.5芯辊有限元模型的建立及求解

2.5.1力能计算

2.5.2冷辗扩芯辊的受力分析

2.5.3几何模型的建立及其简化

2.5.4有限元模型的建立

2.5.5模型加载

2.5.6计算结果及分析

2.5.7结构优化设计

2.6本章小结

第3章基于S-N曲线法的芯辊全寿命分析

3.1芯辊S-N曲线

3.1.1芯辊S-N曲线的计算确定方法

3.1.2芯辊S-N曲线的实验确定方法

3.2疲劳累积损伤模型

3.2.1疲劳损伤的概念

3.2.2疲劳累积损伤理论

3.2.3影响疲劳累积损伤的重要因素

3.3冷辗扩芯辊的全寿命分析

3.3.1一般参数设置

3.3.2解题参数设置

3.3.3材料信息

3.3.4载荷信息

3.3.5疲劳计算结果及优化设计

3.3.6灵敏度分析

3.3.7材料性能参数对芯辊寿命的影响分析

3.3.8误差分析

3.4提高芯辊疲劳寿命的表面强化技术

3.5本章小结

第4章基于线弹性断裂力学的芯辊裂纹扩展分析

4.1裂纹的分类

4.1.1按裂纹的力学特征分类

4.1.2按几何特征分类

4.2疲劳裂纹的扩展规律

4.2.1疲劳裂纹亚临界扩展

4.2.2疲劳裂纹扩展的一般规律

4.3芯辊疲劳裂纹扩展阶段寿命估算

4.3.1验证满足线弹性断裂力学的条件

4.3.2芯辊初始裂纹尺寸的确定

4.3.3芯辊的应力强度因子的确定

4.3.4芯辊的断裂韧度的确定

4.3.5芯辊疲劳破坏临界裂纹尺寸的确定

4.3.6芯辊疲劳裂纹扩展寿命的计算

4.4冷辗扩芯辊疲劳裂纹扩展分析

4.4.1分析设置

4.4.2计算结果及分析

4.4.3材料性能参数对疲劳裂纹扩展速率的影响分析

4.5线弹性断裂力学方法分析芯辊裂纹扩展的局限性

4.6冷辗扩芯辊表面疲劳裂纹监测实验设计

4.6.1静态监测

4.6.2动态监测

4.7本章小结

第5章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的论文