棒材的斷裂設計及其關鍵問題研究.pdf

1、目前,國內外關于棒材斷裂設計的研究還比較少,特別是對材料在斷裂瞬時所發(fā)生的變化更鮮有涉及.此外,所進行的一些研究也多是從功能性方面著眼的,即通過怎樣的途徑可以實現(xiàn)斷裂,這距離實際應用的要求還相差很遠.實際應用中要綜合考慮多種因素,包括能耗、成本、加工效率等.因此,必須解決一系列關鍵問題如最佳切口形式的設計、切口參數(shù)的確定方法、敏感應力設計及載荷大小的確定方法等.針對這些問題,該課題主要進行了以下一些工作:(1)對于棒料在疲勞斷裂中所發(fā)生

2、的變化,該文從一個全新的角度進行了研究.應用突變理論,以裂紋長度作為狀態(tài)變量,以載荷值及循環(huán)數(shù)作為控制變量,以棒料上的能量作為勢函數(shù)建立了疲勞斷裂過程的突變模型.利用該模型我們發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)的平衡曲面上存在有一葉不穩(wěn)定的平衡面,該平衡面即對應于棒料在失穩(wěn)破壞瞬時的變化;另外,從突變模型還可以看出,棒料發(fā)生疲勞斷裂的必要條件是控制軌跡達到分歧點集.(2)切口設計是斷裂下料中的關鍵問題之一,該文在研究中打破以往的思維定勢,提出了一種全新的切口

3、形式——半V型切口.其在切口邊緣處的截面面積變化率更大,從而使切口根部軸向應力和切向應力的增大更加顯著.為了考察半V型切口的效率,該文首先利用MSC. Marc對相同載荷條件下四種不同切口棒料模型在切口根部的最大應力進行了比較,結果顯示半V型切口試樣的切口根部應力最大.為了進一步確認這一結論,該文還通過試驗對普通V型切口試樣與半V型切口試樣進行了比較,結果顯示在其它條件相同的情況下,半V型切口試樣的疲勞周次比普通V型切口試樣要低15﹪~

4、20﹪,斷裂效率更高.關于切口的具體參數(shù),該文根據(jù)斷裂力學的有關知識并考慮了實際加工的影響因素之后,提出確定的方法.這對于斷裂下料方法的實際應用具有指導意義.(3)載荷設計也是斷裂下料中的一個關鍵問題,該文對應力狀態(tài)效應進行了研究,利用MSC. Marc對不同加載方式下的切口棒料模型進行了比較,得出旋轉彎曲載荷是最合適的加載方式.旋轉彎曲載荷有兩種常用的控制方式,該文分別給出了這兩種控制方式下載荷大小的確定原則.對于所需下料長度較小的情

5、況,該文也提出了相應的解決辦法.(4)從加速疲勞斷裂過程的角度出發(fā),該文嘗試了對棒料在切口處進行激光處理的方法.試驗結果表明硬化區(qū)形狀的不同導致了疲勞性能的差異,具有較大軸向尺寸和較小徑向尺寸的硬化區(qū)會對試樣起到強化作用,而具有較小軸向尺寸和較大徑向尺寸的硬化區(qū)會加速疲勞的過程.這一結論不僅可以應用于斷裂下料,而且對于激光強化處理也有一定的借鑒意義.隨著生產技術的發(fā)展,在很多行業(yè)如軸承、齒輪、汽車、農業(yè)機械的生產中,下料工序要處理大量的