鋼絲拉拔和失效過程的有限元模擬及其應(yīng)用.pdf

1、鋼絲及鋼絞線在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的作用，特別是高強(qiáng)度PC鋼絞線等第三代高檔建筑材料，正被越來越廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨度橋梁等現(xiàn)代大型建筑中，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的不斷加大，其年需求量更呈穩(wěn)步攀升之勢。為保證鋼絞線的實物質(zhì)量及其大生產(chǎn)的連續(xù)性、高效性，其原料熱軋高碳盤條必須滿足以下三個要求：一是力學(xué)性能的要求；二是通條性好；三是低的拉拔斷絲率。目前，國產(chǎn)熱軋高碳盤條與國際先進(jìn)水平的主要差距就表現(xiàn)在高斷絲率上。本文以PC鋼絞線用熱

2、軋盤條的拉絲形變過程為研究對象，研究如何運用有限元方法和斷裂力學(xué)理論來模擬金屬拉絲成形過程中內(nèi)部缺陷的形成和演化規(guī)律，以及拉絲工藝控制參數(shù)對缺陷演化過程的影響。 本課題在從拉絲生產(chǎn)現(xiàn)場收集、整理和提供的斷口資料的基礎(chǔ)上，將斷口的形成歸結(jié)于缺陷的存在，并將缺陷簡化為圓盤面狀的單個裂紋，將含單個裂紋的鋼絲拉拔問題歸納為兩類模型：中心裂紋模型和偏心裂紋模型。 有限元分析采用了兩種途徑來對拉絲問題進(jìn)行分析：其一，分析結(jié)果的應(yīng)力云

3、圖可直觀地顯示復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的盤條中應(yīng)力集中的特點，在裂紋尖端表現(xiàn)應(yīng)力奇異性，顯示了裂紋可能擴(kuò)張的趨勢，也即斷口形成的機(jī)理。其二，定量研究。以J積分作為斷裂參量對拉拔狀態(tài)進(jìn)行評估，從而以J積分判據(jù)作為臨界狀態(tài)的度量準(zhǔn)則。 文中首先通過力學(xué)分析說明了中心人字形裂紋形成的機(jī)理；然后針對含中心缺陷的拉絲問題提出軸對稱計算模型，基于此計算模型研究了模具頂角、摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)對形變區(qū)內(nèi)裂紋尖端應(yīng)力場分布的影響，得出隨著拉絲模具頂角的增大

4、和摩擦系數(shù)的減小，裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域與拉絲軸之間的夾角變小，即形成筆尖狀斷口的斜角變大，筆尖變得更細(xì)長；定量研究結(jié)果表明：隨著裂紋尺寸的增加、模具頂角的增大和摩擦系數(shù)的增大，J積分值隨之增大。在摩擦系數(shù)為0.1時，對于相同尺寸的裂紋，J積分?jǐn)?shù)值隨著模具頂角的減小而減小，當(dāng)達(dá)到8°后，J積分的數(shù)值變化較小，趨于一個定值。 缺陷偏離鋼絲中心線時，應(yīng)力分布不均仍是拉拔中的主要特點，環(huán)繞裂紋前端有應(yīng)力集中現(xiàn)象，對于本身幾何對稱的裂紋，

5、裂紋前端集中應(yīng)力的分布并不對稱，偏心度越大這種不對稱更加顯著。在接近裂紋的一側(cè)，材料外層的應(yīng)力集中很突出，可見偏近裂紋的盤條表面受到磨損較嚴(yán)重，而且偏心度越大，外層材料的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，其物理意義即盤條表層受到磨損越嚴(yán)重。由此可見，當(dāng)偏心度大到一定程度，表層材料在偏近缺陷與遠(yuǎn)離缺陷的兩側(cè)受力嚴(yán)重不均，就可能導(dǎo)致鋼絲突發(fā)性被拉斷，即發(fā)生脆斷。 對不同的裂紋偏心度進(jìn)行的J積分?jǐn)?shù)值計算和分析研究表明：對應(yīng)同一偏心度同樣尺寸的裂紋，環(huán)繞