振動(dòng)時(shí)效中盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的有限元分析【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　振動(dòng)時(shí)效中盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的有限元分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 </

2、p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

3、;　　金屬的焊接、淬火、鑄造、機(jī)加工等工藝過(guò)程都會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在降低了構(gòu)件的使用和疲勞壽命，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)可以消除殘余應(yīng)力。本課題研究了采用有限元分析軟件模擬盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，通過(guò)標(biāo)定應(yīng)力釋放系數(shù)Ａ、Ｂ，從而計(jì)算出該處的殘余應(yīng)力值。</p><p>　　本文首先介紹了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)中測(cè)試殘余應(yīng)力的各種方法，其次介紹了盲孔法測(cè)試工件殘余應(yīng)力的理論及其計(jì)算方法，然后利用有限元分析軟件對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)

4、試中應(yīng)力釋放系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，最后研究了應(yīng)變釋放系數(shù)隨孔深/孔徑（h/d）值的變化而變化的規(guī)律。</p><p>　　關(guān)鍵詞：振動(dòng)時(shí)效；殘余應(yīng)力；盲孔法；有限元分析；應(yīng)變釋放系數(shù) </p><p>　　Finite Element Analysis of Blind Hole Method Measuring Residual Stress In VSR </p><p&g

5、t;<b>　　Abstract</b></p><p>　　The processes of metal welding, hardening, casting, machining will cause components creating residual stress. Residual stress reduces the fatigue life and used life o

6、f components and Vibratory stress relief technology can eliminate residual stress. This study simulated the method of blind hole measuring stress release through finite element analysis software. Then calibration the coe

7、fficient of stress release and calculate the value of the residual stress.</p><p>　　This article introduces the methods of testing residual stress in the VSR technology, then introduces blind hole method tes

8、ting residual stress and calculation method of components, calibrating the coefficient of stress release, through the software of finite element analysis. Finally, this paper introduce the coefficient of stress release c

9、hanging with the value of depth/diameter (h/d).</p><p>　　Keywords： VSR; Residual stress; Blind Hole; Finite element analysis; Coefficient of strain release</p><p><b>　　目錄</b></p&g

10、t;<p>　　摘要…………………………………………………………………………………Ⅲ</p><p>　　Abstract………………………………………………………………………………Ⅳ</p><p>　　1 緒論……………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 課題的來(lái)源………………………………………………

11、…………………1</p><p>　　1.2 課題的意義…………………………………………………………………1</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………………………………3</p><p>　　1.4 課題研究的主要內(nèi)容………………………………………………………4</p><p>　　2 構(gòu)件殘余應(yīng)力的一般測(cè)定方法

12、……………………………………………………… 5</p><p>　　2.1 切割法………………………………………………………………………5</p><p>　　2.2 逐層銑削法…………………………………………………………………5</p><p>　　2.3 盲孔法………………………………………………………………………6</p><p>　　

13、3 盲孔法測(cè)定殘余應(yīng)力計(jì)算…………………………………………………………7</p><p>　　3.1 盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理…………………………………………7</p><p>　　3.2 試驗(yàn)方法標(biāo)定………………………………………………………………9</p><p>　　4 盲孔法中A、B系數(shù)的有限元標(biāo)定………………………………………………10</p&g

14、t;<p>　　4.1 實(shí)體模型的建立………………………………………………………… 10</p><p>　　4.1.1 建立長(zhǎng)方體模型……………………………………………………10</p><p>　　4.1.2 建立圓柱體?！?1</p><p>　　4.1.3 對(duì)長(zhǎng)方體和圓柱體進(jìn)行布爾運(yùn)算的減運(yùn)算………………

15、………12</p><p>　　4.1.4 用平面將體劃分為兩部分…………………………………………12</p><p>　　4.2 單元類型定義和材料屬性的定義……………………………………… 13</p><p>　　4.2.1 單元類型的定義……………………………………………………13</p><p>　　4.2.2 定義材料的屬性…………

16、…………………………………………13</p><p>　　4.3 實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分建立有限元模型………………………………… 13</p><p>　　4.4 有限元模型的加載及求解……………………………………………… 14</p><p>　　4.4.1 定義分析類型………………………………………………………14</p><p>　　4.4

17、.2 自由度的約束（邊界條件的處理）………………………………14</p><p>　　4.4.3 有限元模型的加載…………………………………………………15</p><p>　　4.4.4 運(yùn)算…………………………………………………………………15</p><p>　　4.4.5 計(jì)算結(jié)果的提取及計(jì)算……………………………………………… 16</p>

18、<p>　　4.4.6查看實(shí)體模型的變形量……………………………………………… 18</p><p>　　4.5 標(biāo)定結(jié)果及分析………………………………………………………… 18</p><p>　　5 結(jié)論……………………………………………………………………………… 21參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 22</p><p&

19、gt;　　致謝………………………………………………………………………………… 24</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來(lái)源</b></p><p>　　金屬的焊接、淬火、鑄造、機(jī)加工等工藝過(guò)程都會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在降低了構(gòu)件的使用和疲勞壽命，增強(qiáng)了應(yīng)力腐蝕

20、作用。為了消除應(yīng)力，人們經(jīng)常利用傳統(tǒng)的方法熱時(shí)效(TSR)及自然時(shí)效(NSR) [1]。自然時(shí)效使殘余應(yīng)力得到釋放,此法周期長(zhǎng)、占用空間大，在工業(yè)中運(yùn)用比較術(shù)是最古老的殘余應(yīng)力消除方法，它就將構(gòu)件放在露天經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在露天環(huán)境溫度季節(jié)性變化和長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)少。熱時(shí)效技術(shù)是目前被運(yùn)用最廣泛的傳統(tǒng)機(jī)械加工方法，其原理是用爐窯將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。它的特點(diǎn)是時(shí)效效果比較好

21、，但所用能耗大、對(duì)環(huán)境污染大。然而這兩種方法在全球工業(yè)化快速發(fā)展的今天已經(jīng)滿足不了人們的需求，跟不上時(shí)代的步伐了。</p><p>　　相對(duì)以上兩種時(shí)效方法，一種新的、時(shí)尚的、簡(jiǎn)單的、方便的時(shí)效方法——振動(dòng)時(shí)效（VSR）被廣大企業(yè)所青睞。振動(dòng)時(shí)效，是將工件在固有頻率下進(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，消除其殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性的一種方法，具有耗能少、時(shí)間短、環(huán)保、效果顯著等特點(diǎn)。同TSR和NSR相比，振動(dòng)時(shí)

22、效具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備輕便、攜帶方便、低能耗、無(wú)“三廢”、易操作、成本低、可處理大尺寸工件、通用性廣等特點(diǎn)。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)、減少能源的消耗、減少設(shè)備投資不斷提高。因此振動(dòng)時(shí)效技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，目前在西方國(guó)家該技術(shù)已經(jīng)開始普遍的被推廣和使用，我們也在上

23、世紀(jì)80、90年代開始了對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的研究。振動(dòng)時(shí)效技術(shù)可以說(shuō)是熱時(shí)效的補(bǔ)充和發(fā)展，在一定范圍內(nèi)逐步取代熱時(shí)效。尤其在當(dāng)今注重環(huán)保和能源短缺的背景之下，對(duì)于振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的研究和推廣有著更加重要的意義。振動(dòng)時(shí)效的基本思想是通過(guò)對(duì)應(yīng)力工件施以交變循環(huán)載荷，使工件內(nèi)殘余應(yīng)力釋放，從而使工件殘余應(yīng)力降低，尺寸穩(wěn)定下來(lái)而達(dá)到時(shí)效之目的。由于其降低殘余應(yīng)力效果與熱時(shí)效相當(dāng)，工件尺寸穩(wěn)定性、抗疲勞強(qiáng)度極限還優(yōu)于熱時(shí)效，加上無(wú)需建一系列熱時(shí)效所需固定

24、設(shè)備、生產(chǎn)周期短、處理地點(diǎn)靈活、投入少、耗能小(據(jù)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)時(shí)效的能耗約為熱時(shí)效的2％以下，生產(chǎn)費(fèi)用約為10％以下)、唯一可以進(jìn)行二次時(shí)效的工藝，因此許多國(guó)家已經(jīng)把振動(dòng)時(shí)效作為一項(xiàng)某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。由此可見振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重大和深遠(yuǎn)的意義，尤其是在當(dāng)今能源短缺的年代[1]。</p><p>　　在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)效不僅可以消除工件的殘余應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)效后工件的強(qiáng)度指標(biāo)也有很大提高。這就

25、啟發(fā)我們，對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)處理，從而使材料得到強(qiáng)化。[11]</p><p>　　振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn):[2]</p><p>　　(1)投資少,與熱時(shí)效相比，它無(wú)需龐大的時(shí)效爐，可節(jié)省占地面積與昂貴的設(shè)備投資。現(xiàn)代工業(yè)中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時(shí)效消除應(yīng)力則需建造大型時(shí)效爐，不僅造價(jià)昂貴，利用率低，而且爐內(nèi)溫度很難均勻，消除應(yīng)力效果差。采用振動(dòng)時(shí)效可以完全避免這些問(wèn)題。</p>

26、<p>　　(2)生產(chǎn)周期短,自然時(shí)效需經(jīng)幾個(gè)月的長(zhǎng)期放置，熱時(shí)效亦需經(jīng)數(shù)十小時(shí)的周期方能完成，而振動(dòng)時(shí)效一般只需振動(dòng)數(shù)十分鐘即可完成。而且，振動(dòng)時(shí)效不受場(chǎng)地限制，可減少工件在時(shí)效前后的往返運(yùn)輸。如將振動(dòng)設(shè)備安置在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更緊湊，而且可以消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。</p><p>　　(3)使用方便振動(dòng)設(shè)備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動(dòng)處理不受場(chǎng)地限制，振動(dòng)裝置又可攜至現(xiàn)場(chǎng)

27、，所以這種工藝與熱時(shí)效相比，使用簡(jiǎn)便，適應(yīng)性較強(qiáng)。</p><p>　　(4)節(jié)約能源，降低成本在工件的共振頻率下進(jìn)行時(shí)效處理，耗能極小，功率為0．25—1．0馬力的機(jī)械式激振器可振動(dòng)150 t以下的工件，故粗略計(jì)算其能源消耗僅為熱時(shí)效的3％ 一5％，成本僅為熱時(shí)效的8％ 一10％。</p><p>　　(5)振動(dòng)時(shí)效操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，可避免金屬零件在熱時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變

28、形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能進(jìn)行二次時(shí)效的方法。</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在現(xiàn)實(shí)中振動(dòng)時(shí)效被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),在短短的50年里，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)得到了迅速的推廣和方展。美國(guó)早在1983年采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的就有700多家企業(yè)，現(xiàn)在發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家均以不同程度的運(yùn)用到航空、海洋、機(jī)床、鉆探、紡織、化工、汽車、石油等各種緞、鑄、焊金屬構(gòu)件的處理中

29、。在英國(guó)，某機(jī)床公司生產(chǎn)大型精密機(jī)床，其床身與立柱要求精度能夠達(dá)到O．01mm／2m。過(guò)去采用熱時(shí)效其精度保持性較差，后來(lái)改用振動(dòng)消除殘余應(yīng)力，滿足了精度要求，因此現(xiàn)在已將振動(dòng)消除殘余應(yīng)力定位該項(xiàng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工藝。英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒襯里，由于焊后熱膨脹而發(fā)生裂紋，報(bào)廢率占30％以上，后來(lái)采用振動(dòng)時(shí)效工藝，報(bào)廢率幾乎為零。在美國(guó)，PX工程公司，用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除8噸重的焊接結(jié)構(gòu)齒輪的內(nèi)應(yīng)力，用以減少焊接裂紋；Pont Land電子專業(yè)公司，

30、用振動(dòng)時(shí)效處理4噸重的鍛件毛坯，對(duì)鍛件進(jìn)行三次振動(dòng)處理：毛坯、粗加工后、糟如工后。保證了鍛件的穩(wěn)定性。華盛頓鋼鐵公司，對(duì)該公司生產(chǎn)的47噸重的剪床座進(jìn)行振動(dòng)處理。剪床座是用152mm至203ram厚的鋼板焊成，加強(qiáng)筋為38mm至76ram。這樣大而重的構(gòu)件只用40分鐘的振動(dòng)處理就代替了過(guò)去的熱時(shí)</p><p>　　自從這種具有節(jié)能高效、節(jié)資省時(shí)、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、清潔生產(chǎn)的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)引進(jìn)我國(guó)以后，立刻得到國(guó)

31、家的重視。從70年代起，國(guó)內(nèi)開始注意“V.S.R”技術(shù)， “六五、七五”開始組織攻關(guān)，“八五”工藝成熟開始組織推廣應(yīng)用。“九五”期間，由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)牽頭繼續(xù)對(duì)振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)關(guān)鍵——激振器和控制裝置的智能化進(jìn)行完善，目前，振動(dòng)時(shí)效在生產(chǎn)實(shí)踐中成功應(yīng)用的例子不少，市場(chǎng)銷售條件己成熟。國(guó)家經(jīng)貿(mào)委已明確要求有關(guān)部門盡快將振動(dòng)時(shí)效方法納入制造行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，大力推廣這一技術(shù)。隨著人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。200

32、1年8月中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布文件，正式將振動(dòng)時(shí)效技術(shù)納入機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前已有約5000臺(tái)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備在全國(guó)26個(gè)省市的機(jī)床，鍛壓、鑄造、木工、航空、航天、冶金、礦山、鐵道、造船、紡織、核電站等行業(yè)運(yùn)行，有的企業(yè)已將振動(dòng)時(shí)效列入正式生產(chǎn)工藝。[1]</p><p>　　盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)效的理論研究及實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了大量的工作，但國(guó)內(nèi)外的研究還處于初級(jí)階段，還

33、有很多理論的不足和技術(shù)的不成熟。目前，許多國(guó)家都已將振動(dòng)時(shí)效定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。自1975年以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)也得到了較快的發(fā)展和推廣。振動(dòng)時(shí)效工藝在國(guó)內(nèi)經(jīng)二十余年的研究應(yīng)用，許多企業(yè)都在一國(guó)內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明,振動(dòng)時(shí)效對(duì)穩(wěn)定零件的尺寸精度具有良好的作用[3]。振動(dòng)時(shí)效穩(wěn)定尺寸精度的機(jī)理,從宏觀角度分析是振動(dòng)降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力,從微觀方面分析,振動(dòng)時(shí)效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一

34、種附加應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值后,在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位就會(huì)超過(guò)材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。此塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值,并強(qiáng)化了金屬基體。而后,振動(dòng)又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用,直至振動(dòng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止,此時(shí),振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬的作用[2]。</p><p>

35、　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文研究的是振動(dòng)時(shí)效技術(shù)工藝過(guò)程中的時(shí)效效果的評(píng)定環(huán)節(jié)。我們利用測(cè)定構(gòu)件時(shí)效前后的構(gòu)件殘余應(yīng)力的變化量來(lái)評(píng)定其效果。具體研究?jī)?nèi)容包括： </p><p>　?。?）構(gòu)件殘余應(yīng)力的一般測(cè)定方法。介紹了切割法、盲孔法、磁性法、超聲波測(cè)量法等幾種人們比較熟悉并應(yīng)用較普遍的殘余應(yīng)力測(cè)定方法。 </p><p>　?。?）盲孔

36、法測(cè)定殘余應(yīng)力計(jì)算。對(duì)于運(yùn)用盲孔法測(cè)定構(gòu)件殘余應(yīng)力的計(jì)算方法，進(jìn)行了比較詳細(xì)理論推導(dǎo)，并對(duì)應(yīng)變釋放系數(shù)A、B的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定進(jìn)行了理論分析。</p><p>　?。?）盲孔法中A、B系數(shù)有限元標(biāo)定。運(yùn)用ANSYS軟件，通過(guò)有限元分析對(duì)921A鋼構(gòu)件在盲孔狀態(tài)下測(cè)定殘余應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中的A、B系數(shù)進(jìn)行有限元標(biāo)定。</p><p>　　2構(gòu)件殘余應(yīng)力的一般測(cè)定方法</p><p&g

37、t;　　殘余應(yīng)力的測(cè)量問(wèn)題，早在本世紀(jì)30年代就已為人們關(guān)注并開始從事研究工作，并且均使用破壞性較大的機(jī)械測(cè)量方法。40年代中期以來(lái)，由于電阻應(yīng)變計(jì)(片)的發(fā)明，電測(cè)法有了很大的發(fā)展，它與機(jī)械法配合使用，大大降低了機(jī)械測(cè)法對(duì)構(gòu)件的破壞性。目前測(cè)量殘余應(yīng)力的方法按其對(duì)結(jié)構(gòu)是否破壞來(lái)講，有全破壞法、半破壞法和無(wú)損法，按其測(cè)試原理來(lái)講，可分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法。機(jī)械釋放測(cè)量方法主要包括截條法、逐層剝層法、切銑環(huán)槽法、盲孔法、鉆階梯孔法、套

38、取芯棒法、內(nèi)孔直接貼片法、以及釋放管孔周應(yīng)變測(cè)量法。物理測(cè)量方法主要有X射線衍射法、磁勝法、超聲波法以及固有應(yīng)變法等。[9]</p><p>　　2.1 切割法[4]</p><p>　　切割法普遍適用于構(gòu)件處于平面應(yīng)力狀態(tài),或沿厚度方向變化不大的板狀構(gòu)件。具體作法是:首先在欲測(cè)點(diǎn)上粘貼應(yīng)變片,并用劃先工具劃出相應(yīng)的切割線,連接儀器后沿切割線切出子單元。單元體由于去掉周圍的約束,而使殘余應(yīng)

39、力放, 通過(guò)粘貼在單元上的應(yīng)變片即可測(cè)量其應(yīng)變(如圖2.1所示)。 </p><p>　　圖2.1 切割法的貼片和切割線示意圖</p><p>　　運(yùn)用切割法對(duì)板狀構(gòu)件測(cè)定其殘余應(yīng)力可獲得較精確的結(jié)果, 但是對(duì)構(gòu)件具有較大的破壞性。</p><p>　　2. 2 逐層銑削法[4]</p><p>　　逐層銑削法就是采用銑、研磨拋光、腐蝕、電解

40、腐蝕等方法對(duì)已磨削處理過(guò)的構(gòu)件表面進(jìn)行剝層,使構(gòu)件表面殘余應(yīng)力得到釋放,引起試件產(chǎn)生變形并確定構(gòu)件的變形量,再根據(jù)彈性理論可以推算出被削層內(nèi)的應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)定厚度上梯度較大的內(nèi)應(yīng)力。</p><p><b>　　2. 3 盲孔法 </b></p><p>　　盲孔法是目前已成為應(yīng)用最廣泛的殘余應(yīng)力測(cè)量方法，在后面做具體介紹。</p><

41、;p>　　3 盲孔法測(cè)定殘余應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　盲孔法是由德國(guó)學(xué)者M(jìn)athar于1934年提出的，后經(jīng)Soete和Vancombrugge等學(xué)者發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量殘余應(yīng)力的半無(wú)損方法，它具有對(duì)工件損傷小、不影響工件的性能、簡(jiǎn)單易行、測(cè)量精度高等特點(diǎn)[8]。根據(jù)鉆孔是否鉆通,小孔釋放法又可分為通孔法和盲孔法。小孔釋放法重要的一點(diǎn)是應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 的確定,通孔法應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch 理論

42、解直接計(jì)算出, 盲孔法應(yīng)變釋放系數(shù)則需用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。由于焊接應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn),在焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力比較高,本身已接近或達(dá)到材料的屈服應(yīng)力σs ,再加上鉆孔后應(yīng)力集中,在孔周圍必然會(huì)產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變,而小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力計(jì)算公式是在彈性條件下推導(dǎo)出來(lái)的,為了測(cè)量高殘余應(yīng)力必須進(jìn)行修正。目前,小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的孔邊塑性修正方法主要有,通過(guò)拉伸試驗(yàn),作出材料應(yīng)變釋放系數(shù)的塑性修正曲線[5]。</p><p>　　

43、在用盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，確定釋放系數(shù)A,B致關(guān)重要，它直接影響殘余應(yīng)力的測(cè)量精度。由于應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 與盲孔的幾何尺寸、應(yīng)變計(jì)尺寸和材料的力學(xué)特性有關(guān),盲孔孔邊應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性變形與盲孔的幾何尺寸、應(yīng)變計(jì)尺寸和材料的屈服準(zhǔn)則、強(qiáng)化模型等因素有關(guān),實(shí)驗(yàn)方法顯得頗費(fèi)人力物力。本文從實(shí)驗(yàn)法標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 的基本原理和強(qiáng)度理論出發(fā),建立三維有限元模型,模擬實(shí)驗(yàn)法標(biāo)定和塑性修正,探討一種簡(jiǎn)單易行的確定盲孔應(yīng)變釋放系數(shù)和修正孔邊

44、塑性變形的方法。</p><p>　　3.1盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理[10]</p><p>　　若構(gòu)件內(nèi)存在殘余應(yīng)力場(chǎng)和彈性應(yīng)變場(chǎng)，在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)處鉆一小盲孔(直徑為d，深為h，該處的金屬和其中的殘余應(yīng)力即被釋放，原應(yīng)力場(chǎng)失去平衡。這時(shí)盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變(其大小與釋放應(yīng)力是相對(duì)應(yīng)的)，并使原應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到新的平衡，形成新的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，測(cè)出釋放應(yīng)變，即可利用相應(yīng)公式計(jì)算出

45、初始測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力。</p><p>　　圖3.1 　盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力應(yīng)變計(jì)</p><p>　　目前關(guān)于盲孔殘余應(yīng)力釋放的分析,大致是在套用通孔分析方法的基礎(chǔ)上做些修正,對(duì)于由圖3.1所示應(yīng)變計(jì)測(cè)得的釋放應(yīng)變,其應(yīng)力計(jì)算公式為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中、和分別為相應(yīng)各

46、應(yīng)變計(jì)鉆孔后測(cè)得的釋放應(yīng)變; A 、B 為應(yīng)變釋放系數(shù); 、為主應(yīng)力。</p><p>　　通孔應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch 理論解得到</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中E、ν分別為被測(cè)材料的彈性模量和泊松比, d 、r 、r 分別為孔徑和盲孔中心到應(yīng)變計(jì)近孔端、遠(yuǎn)孔端距離[10]。</p>

47、<p>　　盲孔應(yīng)變釋放系數(shù)則需由標(biāo)定試驗(yàn)確定,假設(shè)人為地在構(gòu)件中施加單向應(yīng)力場(chǎng)( =σ, = 0) ,應(yīng)變計(jì)1、3 分別平行于 、方向,即θ= 0 ,則有</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　將單向應(yīng)力場(chǎng)代入式(3-3) 可得</p><p><b>　　（3-4）</b>&

48、lt;/p><p>　　由1、3 應(yīng)變計(jì)測(cè)得的釋放應(yīng)變即可求出應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 。</p><p>　　3.2試驗(yàn)方法標(biāo)定[5]</p><p>　　對(duì)圖3.2a 所示試件施加一定外載(試件工作部分應(yīng)力<σs/3) ,在應(yīng)變計(jì)1 中心位置鉆一小孔(應(yīng)變計(jì)尺寸見圖3.2b) ,測(cè)出各應(yīng)變改變值,根據(jù)公式計(jì)算出應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 。實(shí)驗(yàn)中,試件采用921A鋼,厚

49、度為14 mm ,鉆孔直徑d = 2 mm ,孔深h = 2 mm。</p><p>　　(a) 標(biāo)定試件及應(yīng)變計(jì)布置(mm) (b) 應(yīng)變計(jì)尺寸(mm)</p><p>　　圖3.2 　標(biāo)定試件及應(yīng)變計(jì)</p><p>　　4 盲孔法中A、B系數(shù)的有限元標(biāo)定</p><p>　　ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

50、程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。</p><p>　　軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析

51、、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。</p><p>　　由于對(duì)稱性,取標(biāo)定試件中間部分的1/4 建立三維有限元模型。模型尺寸為50 mm ×

52、30 mm ×14 mm ,中心有一直徑為2 mm 的盲孔,孔深為1 mm～12 mm ,單元網(wǎng)格劃分如圖4.5。材料為921A 鋼,采用線性強(qiáng)化彈塑性模型, 其彈性模量為E = 2. 1 ×10MPa ,泊松比ν= 0. 3 ,屈服強(qiáng)度σs = 588MPa , 硬化指數(shù)n取彈性模量的1/100( n = 2. 1 ×10MPa) ,服從各向同性強(qiáng)化,采用Mises 屈服準(zhǔn)則。整個(gè)模型均為六面體單元,受x

53、 方向均勻載荷p 作用( p = 100MPa <σs/3) 。</p><p>　　4.1實(shí)體模型的建立 </p><p>　　4.1.1 建立長(zhǎng)方體模型 </p><p>　　打開ANSYS11.0軟件，單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模) →Create(創(chuàng)建) →Volumes(體) →By

54、2 corners＆Z。我們通過(guò)標(biāo)定角點(diǎn)坐標(biāo)X=0，Y=0和長(zhǎng)方體的長(zhǎng)、寬、高分別為30mm、 50mm、14mm，單擊OK完成長(zhǎng)方體實(shí)體的建模如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 長(zhǎng)方體模型</p><p>　　4.1.2 建立圓柱體模型 </p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模

55、) →Create(創(chuàng)建) →Volumes(體) →Cylinder(圓柱體) →Solid Cylinder(實(shí)心圓柱體)。我們?cè)O(shè)定其半徑R=1mm，高度D=6mm。單擊OK完成圓柱體實(shí)體的建模,如圖4.2所示.</p><p><b>　　圖4.2 圓柱模型</b></p><p>　　4.1.3 對(duì)長(zhǎng)方體和圓柱體進(jìn)行布爾運(yùn)算的減運(yùn)算 </p>&

56、lt;p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Modeling(建模) →Operate(操作) →Booleans(布爾運(yùn)算) →Subtract(減運(yùn)算) →Volumes(體)。 </p><p>　　在彈出的Subtract Volumes對(duì)話框后，先拾取長(zhǎng)方體→單擊OK，再先拾取圓柱體→單擊OK。此時(shí)體相減操作完成，生成分析所用的實(shí)體模型，如圖4.3所示。

57、</p><p>　　圖4.3 長(zhǎng)方體和圓柱體進(jìn)行布爾求差</p><p>　　4.1.4用平面將體劃分為兩部分</p><p>　　Workplane→offset WP by Increments…→輸入切割平面的坐標(biāo)及角度→單擊ok</p><p>　　Preprocessor→modeling→operate→booleans→sut

58、ract→volumes→選擇體，單擊ok，結(jié)果如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 用平面劃分模型</p><p>　　4.2 單元類型定義和材料屬性的定義 </p><p>　　4.2.1 單元類型的定義 </p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Element Type(單元

59、類型) →Add/Edit/Delete(添加/編輯/刪除)。在彈出的單元定義對(duì)話框中,點(diǎn)擊Add添加單元類型。我們選擇8節(jié)點(diǎn)6面體單元（選擇Solid→Brick 8 node 45）。點(diǎn)擊OK完成單元類型的定義。</p><p>　　最后選擇實(shí)用菜單中的File(文件) →Save as Jobname.db,對(duì)單元類型的設(shè)定進(jìn)行保存。</p><p>　　4.2.2 定義材料的屬性

60、</p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Material Props →Material Models命令。在彈出的Define Material Model Behavior(定義材料模型屬性窗口)對(duì)話框的右邊列表中依次雙擊Structural→Linear→Elastic→Isotropic。</p><p>　　將彈出一個(gè)線彈性、

61、各向同性材料模型屬性的定義對(duì)話框。在EX中輸入彈性模量2.1X10Pa,在Prxy中輸入泊松比0.3，完成后單擊OK結(jié)束。定義完成后在定義材料模型的窗口中選擇Material→Exit命令，退出模型材料定義窗口。</p><p>　　4.3 實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分建立有限元模型</p><p>　　在網(wǎng)格劃分中我們采用智能網(wǎng)格劃分法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立分析所需的有限元分析模型。 <

62、;/p><p>　　單擊Main Menu（主菜單）→Preprocessor(前處理) →Meshing(結(jié)網(wǎng)) →Mesh Tool(網(wǎng)格劃分工具)。在彈出的對(duì)話框中，選擇第一級(jí)最精細(xì)劃分，再選擇HBX→SWEEP,，單擊實(shí)體的上半部分，再單擊SWEEP鍵，圖彈出Volume Sweeping對(duì)話框。拾取創(chuàng)建好的實(shí)體模型→單擊OK完成上半部分實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分工作，再選擇tet，free，再拾取實(shí)體的下半部分，單

63、擊ok，生成有限元模型，如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 有限元網(wǎng)格劃分</p><p>　　4.4 有限元模型的加載及求解 </p><p>　　4.4.1 定義分析類型 </p><p>　　單擊Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis。在彈出的對(duì)話框中選擇靜力分析（Stat

64、ic）→點(diǎn)擊OK完成分析類型的定義</p><p>　　4.4.2 自由度的約束（邊界條件的處理） </p><p>　　由于對(duì)稱性，在YOZ面上的所有節(jié)點(diǎn)的X方向的位移為0，在XOZ面上的所有節(jié)點(diǎn)的Y方向的位移為0，點(diǎn)（0,0,0.014）在z方向的位移為0。 </p><p>　　首先對(duì)YOZ面進(jìn)行自由度約束，單擊Main Menu→Solution→Defin

65、e Loads→Apply→Structural→Displacement(自由度的約束)→On Areas(面約束)。我們拾取YOZ面在彈出的Apply U,ROT On Areas對(duì)話框中選擇UY，在VALUE Displacement Value中輸入0，最后點(diǎn)擊OK完成對(duì)YOZ面X方向位移的約束。按此方面對(duì)XOZ面Y方向進(jìn)行約束。Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→D

66、isplacement→On Node, 拾取YOZ面在彈出的Apply U,ROT On Nodes對(duì)話框中選擇UZ，在VALUE Displacement Value中輸入0，最后點(diǎn)擊OK完成對(duì)該點(diǎn)z方向位移的約束。</p><p>　　4.4.3 有限元模型的加載 </p><p>　　單擊Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structura

67、l→Pressure→On Areas(在面上均布加載)。由于我們對(duì)有限元模型加載的是壓縮載荷，所以為正值，輸入100e6，單擊ok，如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 在X方向上施加載荷和約束</p><p><b>　　4.4.4 運(yùn)算 </b></p><p>　　依次單擊Main Menu→Solution→Solve→Cu

68、rrent LS。在依次彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊OK→YES,完成對(duì)加載有限元模型的運(yùn)算工作，結(jié)果如圖4.7所示。 </p><p>　　圖4.7 運(yùn)算后的結(jié)果</p><p>　　4.4.5 計(jì)算結(jié)果的提取及計(jì)算 </p><p>　　我們?cè)谕ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定通孔A、B系數(shù)一般測(cè)定的是X方向和Y方向出兩應(yīng)變花的變化量，再通過(guò)計(jì)算得到A、B系數(shù)。所以有限元分析也就是利用有限元單

69、元模擬應(yīng)變花，通過(guò)測(cè)定指定單元的應(yīng)變大小，再計(jì)算得出有限元標(biāo)定的A、B 系數(shù)值。所以我們需要提取的是指定單元的應(yīng)變值。依次單擊Main Menu→General Postproc→Result Viewer→Element Solution Elastic Strain X-Component→plot results,如圖4.8所示。在盲孔附近的x軸上選擇一個(gè)點(diǎn)，即可看到x方向的應(yīng)變值。同理可得出y方向的應(yīng)變值。將所得的兩個(gè)應(yīng)變值帶入

70、式，即可得到A,B值。</p><p>　　圖4.8 計(jì)算結(jié)果的提取</p><p>　　圖4.9 孔深為8mm時(shí)X方向的應(yīng)變值</p><p>　　4.4.6查看實(shí)體模型的變形量</p><p>　　其中虛線表示加載前的實(shí)體模型，實(shí)線表示約束和加載后的實(shí)體模型。</p><p>　　圖4.10 實(shí)體模型X方向和Y方向

71、的變形量</p><p>　　圖4.11實(shí)體模型X方向和Z方向的變形量</p><p>　　4.5標(biāo)定結(jié)果及分析</p><p>　　通過(guò)有限元標(biāo)定,可得孔深在1mm—12mm的應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B。</p><p>　　表1 不同孔深對(duì)應(yīng)的應(yīng)變釋放系數(shù)</p><p>　　圖4.11 應(yīng)變釋放系數(shù)和孔深/孔徑值的關(guān)系

72、</p><p>　　由圖4.10可得, 當(dāng)h/d <1.2 時(shí)，應(yīng)變釋放系數(shù)A 、B 的絕對(duì)值隨孔深h 與孔徑d 比值λ增大而增大,當(dāng)h/d>1.2 時(shí),A 、B 基本保持不變。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文采用有限元軟件。通過(guò)建立三維有限元模型，數(shù)值模擬了應(yīng)變釋放系數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)，得到了

73、以下結(jié)論和成果：</p><p>　　1）通過(guò)三維彈性有限元分析,著重研究了應(yīng)變釋放系數(shù)A、B 值,當(dāng)孔較淺時(shí)A 、B 值很小, 隨著孔深增加,A 、B 系數(shù)也漸增大。當(dāng)孔深增大到一定值時(shí), 大約h/d = 1.2 附近, 由于釋放應(yīng)變基本不變, A 、B 系數(shù)也就基本趨于穩(wěn)定。說(shuō)明在實(shí)測(cè)中鉆孔深度只要達(dá)到1. 2d , 即可以認(rèn)為應(yīng)變“完全”釋放。</p><p>　　2) 由于應(yīng)變釋放

74、系數(shù)與盲孔的幾何尺寸、應(yīng)變計(jì)尺寸和材料的力學(xué)特性有關(guān),盲孔孔邊應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性變形與盲孔的幾何尺寸、應(yīng)變計(jì)尺寸和材料的屈服準(zhǔn)則、強(qiáng)化模型等因素有關(guān),相對(duì)于試驗(yàn)方法,有限元法標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù),簡(jiǎn)單易行,可以替代實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1］任耀新.高頻振動(dòng)時(shí)效裝置的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.</p

75、><p>　　[2］胡曉東.振動(dòng)時(shí)效的發(fā)展與應(yīng)用[J].金屬加工,2009,6:75-77.</p><p>　　[3］王猛.振動(dòng)消除應(yīng)力的原理與應(yīng)用[J]. 熱處理，2010，25（5）：57-60. [4] 邵卓平，張偉林.振動(dòng)時(shí)效工藝中殘余應(yīng)力測(cè)試方法的探索[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，6（3）：58-61</p><p>　　

76、[5］侯海量，朱錫，劉潤(rùn)泉.盲孔法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變釋放系數(shù)的有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2003，25：632-636.</p><p>　　[6］ A. S. M. Y. Munsi，A. J. Waddell，C. A. Walker. Modification of welding stresses by flexural vibration during welding[J]. Science and

77、 Technology of Welding and Joining, 2001,6(3):133-138.</p><p>　　[7］ R. Dawson ,D. G. Moffat. Vibratory Stress Relief: A Fundamental Study of Its Effectiveness[J]. Journal of Engineering Materials and Techno

78、logy, 1980-4, 102:169- 176</p><p>　　[8] 劉一華 賀贇暉 詹春曉 李昊.盲孔法中釋放系數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法[J].</p><p>　　2008,30(1):033-036.</p><p>　　[9] 王娜. 中厚板焊接殘余應(yīng)力測(cè)試的盲孔法研究[D].大連理工大學(xué),2007.</p><p>　　[1

79、0］ 譚明鶴,王榮輝，黃永輝.盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力中應(yīng)變釋放系數(shù)的修正方法[J]. 熱加工工藝，2007,36（19）：65-69.</p><p>　　[11］胡曉東.振動(dòng)時(shí)效的過(guò)去、今天和未來(lái).熱處理,2010,25:1-5.</p><p>　　[12］楊立遠(yuǎn).論振動(dòng)時(shí)效在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010,24:61.</p><p>　　[13］張

80、喜群,李文革,張麗梅. 振動(dòng)時(shí)效的巧妙應(yīng)用[J].模具制造，2008,8：66-67.</p><p>　　[14］孫曉燕，王棟.振動(dòng)時(shí)效的有限元分析[J].技術(shù)平臺(tái)，2010,6:20.</p><p>　　[15］湯小牛，劉久明. 振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的發(fā)展與機(jī)遇[J].金屬加工，2009,5:29-31.</p><p>　　[16］ 馬振宇.激振時(shí)效技術(shù)機(jī)理研究和裝

81、置的開發(fā)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.[17］王政，劉萍，高玉陽(yáng).A、B標(biāo)定值對(duì)盲孔法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力精度的影響[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987，13（3）：19-25 [18］胡曉東. 振動(dòng)時(shí)效的發(fā)展[J]. 鑄造技術(shù),2009-3,30(3):408-411.</p><p>　　[19］吳川，王松葉，亢芳芳. 振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)探究[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2010,8:88.</p>

82、;<p>　　[20］張維浩,胡亮亮,王海峰.振動(dòng)時(shí)效在大型焊接結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用[J].金屬加工，2010,22:57-58.</p><p>　　[21] 朱援祥, 王　勤, 趙學(xué)榮, 孫秦明.基于AN SYS 平臺(tái)的焊接殘余應(yīng)力模擬[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(2):69-72.</p><p>　　[22] 裴怡,包亞峰,唐慕堯.盲孔法測(cè)定時(shí)計(jì)算公式中A、B

83、 值的研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，1997,19（1）:18-21.</p><p>　　[23] 常紅,侯麗麗,楊自學(xué).盲孔法測(cè)量復(fù)合材料殘余應(yīng)力釋放應(yīng)變矩陣的有限元分析[J]. 太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,27（2）:87-89.</p><p>　　[24] 徐穎強(qiáng),李尊朝,余楊.淺盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的分析[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,16(3):382-386.</p&g

84、t;<p>　　[25] 劉曉紅.屈服狀態(tài)下盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力應(yīng)變釋放系數(shù)的數(shù)值模擬[D].廣西大學(xué)，2010.</p><p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　振動(dòng)時(shí)效的數(shù)值模擬</b></p><p><b>　　1前言部分</b></p>&

85、lt;p>　　金屬的焊接、淬火、鑄造、機(jī)加工等工藝過(guò)程都會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在降低了構(gòu)件的使用和疲勞壽命，增強(qiáng)了應(yīng)力腐蝕作用。為了消除應(yīng)力，人們經(jīng)常利用傳統(tǒng)的方法熱時(shí)效(TSR)和自然時(shí)效(NSR), 自然時(shí)效雖不耗能,但周期太長(zhǎng),不適應(yīng)大批量生產(chǎn)。熱時(shí)效,其周期較自然時(shí)效大為縮短,應(yīng)用廣泛,時(shí)效設(shè)備耗能高,勞動(dòng)條件差,有的還污染環(huán)境,機(jī)械化自動(dòng)化水平也不高，且其對(duì)能源的需求量也急劇上升，嚴(yán)重影響了我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)

86、的步伐。如何既保證經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)又能減少能源消耗將是擺在我國(guó)政府面前一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。大力開發(fā)新技術(shù)，廣泛采用新技術(shù)替代落后工藝技術(shù)將是一種非常有效的手段。然而這兩種方法在全球工業(yè)化快速發(fā)展的今天已經(jīng)滿足不了人們的需求，跟不上時(shí)代的步伐了。相對(duì)以上兩種時(shí)效方法，一種新的、時(shí)尚的、簡(jiǎn)單的、方便的時(shí)效方法——振動(dòng)時(shí)效（VSR）被廣大企業(yè)所青睞。振動(dòng)時(shí)效，是將工件在固有頻率下進(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，消除其殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性的

87、一種方法，具有耗能少、時(shí)間短、環(huán)保、效果顯著等特點(diǎn)。同TSR和NSR相比，振動(dòng)時(shí)效具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備輕便、攜帶方便、低能耗、無(wú)“三廢”、易操</p><p>　　振動(dòng)時(shí)效的基本思想是通過(guò)對(duì)應(yīng)力工件施以交變循環(huán)載荷，使工件內(nèi)殘余應(yīng)力釋放，從而使工件殘余應(yīng)力降低，尺寸穩(wěn)定下來(lái)而達(dá)到時(shí)效之目的。由于其降低殘余應(yīng)力效果與熱時(shí)效相當(dāng)，工件尺寸穩(wěn)定性、抗疲勞強(qiáng)度極限還優(yōu)于熱時(shí)效，加上無(wú)需建一系列熱時(shí)效所需固定設(shè)備、生產(chǎn)周期短

88、、處理地點(diǎn)靈活、投入少、耗能小(據(jù)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)時(shí)效的能耗約為熱時(shí)效的2％以下，生產(chǎn)費(fèi)用約為10％以下)、唯一可以進(jìn)行二次時(shí)效的工藝，因此許多國(guó)家已經(jīng)把振動(dòng)時(shí)效作為一項(xiàng)某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。由此可見振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重大和深遠(yuǎn)的意義，尤其是在當(dāng)今能源短缺的年代。</p><p>　　在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)效不僅可以消除工件的殘余應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)效后工件的強(qiáng)度指標(biāo)也有很大提高。這就啟發(fā)我們，對(duì)工件進(jìn)行振

89、動(dòng)處理，從而使材料得到強(qiáng)化。振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn):</p><p>　　(1)投資少與熱時(shí)效相比，它無(wú)需龐大的時(shí)效爐，可節(jié)省占地面積與昂貴的設(shè)備投資?，F(xiàn)代工業(yè)中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時(shí)效消除應(yīng)力則需建造大型時(shí)效爐，不僅造價(jià)昂貴，利用率低，而且爐內(nèi)溫度很難均勻，消除應(yīng)力效果差。采用振動(dòng)時(shí)效可以完全避免這些問(wèn)題。</p><p>　　(2) 生產(chǎn)周期短 自然時(shí)效需經(jīng)幾個(gè)月的長(zhǎng)期放置，熱時(shí)效亦需

90、經(jīng)數(shù)十小時(shí)的周期方能完成，而振動(dòng)時(shí)效一般只需振動(dòng)數(shù)十分鐘即可完成。而且，振動(dòng)時(shí)效不受場(chǎng)地限制，可減少工件在時(shí)效前后的往返運(yùn)輸。如將振動(dòng)設(shè)備安置在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更緊湊，而且可以消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。</p><p>　　(3)使用方便振動(dòng)設(shè)備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動(dòng)處理不受場(chǎng)地限制，振動(dòng)裝置又可攜至現(xiàn)場(chǎng)，所以這種工藝與熱時(shí)效相比，使用簡(jiǎn)便，適應(yīng)性較強(qiáng)。</p><

91、p>　　(4)節(jié)約能源，降低成本在工件的共振頻率下進(jìn)行時(shí)效處理，耗能極小，功率為0．25—1．0馬力的機(jī)械式激振器可振動(dòng)150 t以下的工件，故粗略計(jì)算其能源消耗僅為熱時(shí)效的3％ 一5％ ，成本僅為熱時(shí)效的8％ 一10％ 。</p><p>　　(5)振動(dòng)時(shí)效操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，可避免金屬零件在熱時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能進(jìn)行二次時(shí)效的方法。</p&

92、gt;<p><b>　　2主題部分</b></p><p><b>　　(1)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　在現(xiàn)實(shí)中振動(dòng)時(shí)效被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),在短短的50年里，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)得到了迅速的推廣和方展。美國(guó)就在1983年采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的就有700多家企業(yè)，現(xiàn)在發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家均以不同程度的運(yùn)用到航空、海洋、機(jī)床、鉆探、紡

93、織、化工、汽車、石油等各種緞、鑄、焊金屬構(gòu)件的處理中。在英國(guó)，某機(jī)床公司生產(chǎn)大型精密機(jī)床，其床身與立柱要求精度能夠達(dá)到O．01mm／2m。過(guò)去采用熱時(shí)效其精度保持性較差，后來(lái)改用振動(dòng)消除殘余應(yīng)力，滿足了精度要求，因此現(xiàn)在已將振動(dòng)消除殘余應(yīng)力定位該項(xiàng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工藝。英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒襯里，由于焊后熱膨脹而發(fā)生裂紋，報(bào)廢率占30％以上，后來(lái)采用振動(dòng)時(shí)效工藝，報(bào)廢率幾乎為零。在美國(guó)，PX工程公司，用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除8噸重的焊接結(jié)構(gòu)齒輪的內(nèi)應(yīng)力

94、，用以減少焊接裂紋；Pont Land電子專業(yè)公司，用振動(dòng)時(shí)效處理4噸重的鍛件毛坯，對(duì)鍛件進(jìn)行三次振動(dòng)處理：毛坯、粗加工后、糟如工后。保證了鍛件的穩(wěn)定性。華盛頓鋼鐵公司，對(duì)該公司生產(chǎn)的47噸重的剪床座進(jìn)行振動(dòng)處理。剪床座是用152mm至203ram厚的鋼板焊成，加強(qiáng)筋為38mm至76ram。這樣大而重的構(gòu)件只用40分鐘的振動(dòng)處理就代替了過(guò)去的熱時(shí)</p><p><b>　?。?）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</

95、b></p><p>　　自從這種具有節(jié)能高效、節(jié)資省時(shí)、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、清潔生產(chǎn)的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)引進(jìn)我國(guó)以后，立刻得到國(guó)家的重視。從70年代起，國(guó)內(nèi)開始注意“V.S.R”技術(shù)， “六五、七五”開始組織攻關(guān)，“八五”工藝成熟開始組織推廣應(yīng)用?！熬盼濉逼陂g，由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)牽頭繼續(xù)對(duì)振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)關(guān)鍵——激振器和控制裝置的智能化進(jìn)行完善，目前，振動(dòng)時(shí)效在生產(chǎn)實(shí)踐中成功應(yīng)用的例子不少，市場(chǎng)銷售條件己成熟。國(guó)

96、家經(jīng)貿(mào)委已明確要求有關(guān)部門盡快將振動(dòng)時(shí)效方法納入制造行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，大力推廣這一技術(shù)。隨著人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。2001年8月中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布文件，正式將振動(dòng)時(shí)效技術(shù)納入機(jī)床制造標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前已有約5000臺(tái)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備在全國(guó)26個(gè)省市的機(jī)床，鍛壓、鑄造、木工、航空、航天、冶金、礦山、鐵道、造船、紡織、核電站等行業(yè)運(yùn)行，有的企業(yè)已將振動(dòng)時(shí)效列入正式生產(chǎn)工藝。&l

97、t;/p><p>　　盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)效的理論研究及實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了大量的工國(guó)內(nèi)外的研究還處于初級(jí)階段，還有很多理論的不足和技術(shù)的不成熟。</p><p>　?。?）振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用</p><p>　　目前，許多國(guó)家都已將振動(dòng)時(shí)效定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。自1975年以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)也得到了較快的發(fā)展和推廣。振動(dòng)時(shí)效工藝在國(guó)內(nèi)經(jīng)二十余年的研

98、究應(yīng)用，許多企業(yè)都在一國(guó)內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明,振動(dòng)時(shí)效對(duì)穩(wěn)定零件的尺寸精度具有良好的作用。振動(dòng)時(shí)效穩(wěn)定尺寸精度的機(jī)理,從宏觀角度分析是振動(dòng)降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力,從微觀方面分析,振動(dòng)時(shí)效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值后,在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位就會(huì)超過(guò)材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。此塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值,

99、并強(qiáng)化了金屬基體。而后,振動(dòng)又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用,直至振動(dòng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止,此時(shí),振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬的作用。</p><p>　　在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),振動(dòng)時(shí)效不僅可以消除工件的殘余應(yīng)力,振動(dòng)時(shí)效后工件的強(qiáng)度指標(biāo)也有一定提高,即振動(dòng)使材料得到強(qiáng)化。</p><p>　?。?）振動(dòng)時(shí)效機(jī)理簡(jiǎn)述</p

100、><p>　　振動(dòng)時(shí)效是將激振器所產(chǎn)生的周期性外力施加于工件，使工件產(chǎn)生振動(dòng)，利用振動(dòng)能量來(lái)降低殘余應(yīng)力。目前，對(duì)于振動(dòng)時(shí)效的具體原理還沒(méi)有一個(gè)詳盡的理論和統(tǒng)一的觀點(diǎn)。但可以從宏觀和微觀兩個(gè)方面來(lái)理解。</p><p>　　1)從宏觀上理解，既是在周期性的外部載荷作用下，工件各部產(chǎn)生的交變動(dòng)應(yīng)力與內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互疊加，在應(yīng)力較高的區(qū)域，產(chǎn)生了微小的塑性變形，使殘余應(yīng)力的峰值下降，改變了工件原

101、有的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，最終使工件的殘余應(yīng)力降低并重新分布，在較低的應(yīng)力水平下達(dá)到平衡。</p><p>　　2)從微觀上理解，振動(dòng)能量的輸入提高了構(gòu)件內(nèi)部晶體的動(dòng)能，加快了畸變品格恢復(fù)平衡位置的速度，引起位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)移動(dòng)受阻從而強(qiáng)化了基體，降低了構(gòu)件的微觀殘余應(yīng)力，提高了工件的抗變形能力及尺寸穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)振動(dòng)時(shí)效應(yīng)用上存在的問(wèn)題</p><p

102、>　　振動(dòng)時(shí)效技術(shù)雖然在高效、節(jié)能、環(huán)保等方面有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)也就是亞共振技術(shù)也確實(shí)存在著幾十年未能解決的技術(shù)難題，無(wú)法納入正式的工藝生產(chǎn)流程，也始終沒(méi)有受到企業(yè)的廣泛認(rèn)可，得到大規(guī)模的應(yīng)用。 </p><p>　　1)對(duì)支撐點(diǎn)、激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)及方向有嚴(yán)格要求，需要不斷地掃頻、調(diào)整位置。所以設(shè)備操作必須是受過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人員操作，一般的工人即使受過(guò)培訓(xùn)也很難掌握這項(xiàng)技術(shù)；工件在單件生產(chǎn)

103、時(shí)調(diào)整相當(dāng)繁瑣，拾振器、支撐點(diǎn)很難調(diào)到最佳狀態(tài)，一種工件就需要制訂一種工藝；人為地確定需處理共振峰，這對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求也比較高。</p><p>　　2)由于是通過(guò)掃頻的方式尋找工件共振峰，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是有限的，當(dāng)工件共振頻率超出激振器的頻率范圍時(shí)，通過(guò)掃描就無(wú)法找到工件共振頻率，因而無(wú)法對(duì)超出激振器轉(zhuǎn)速范圍外的工件進(jìn)行有效的振動(dòng)處理。國(guó)家相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)亞共振技術(shù)可處理的工件在機(jī)械制造業(yè)覆蓋面僅為23％。<

104、;/p><p>　　3)有效振型較少，振動(dòng)時(shí)效的效果就不好。</p><p>　　4)噪聲過(guò)大也是難以推廣的主要原因。</p><p>　?。?）頻譜諧波技術(shù)在振動(dòng)時(shí)效領(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　在振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的繼續(xù)提高上，各國(guó)的研究者把如何提高激振器的轉(zhuǎn)速，以期解決高剛性材料的找頻問(wèn)題，以及如何合理地制定各種工件的振動(dòng)工藝方案作為了主要研究

105、和突破方向。但似乎進(jìn)入了一個(gè)技術(shù)瓶頸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高面臨著諸多的技術(shù)難題，新材料、新設(shè)備的不斷出現(xiàn)，也使工藝方案的制定變得紛繁復(fù)雜。同時(shí)，也沒(méi)有解決振動(dòng)時(shí)，需要電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲大；工作電流高，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的問(wèn)題。振動(dòng)時(shí)效在20世紀(jì)的后二三十年進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展緩慢的階段，但隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展，在控制器方面逐漸從簡(jiǎn)單的人工控制發(fā)展到單片機(jī)，再到電腦控制，使用設(shè)備控制，使用監(jiān)控越來(lái)越方便快捷，但關(guān)鍵性的問(wèn)題——覆蓋面低、噪聲高

106、、振型少、應(yīng)力消除效果不好、工藝方案人工干預(yù)較多、制定復(fù)雜的問(wèn)題沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性的解決。振動(dòng)時(shí)效在企業(yè)的應(yīng)用也進(jìn)入了一個(gè)低潮期。原先購(gòu)置的設(shè)備，或者閑置，或者只能在實(shí)驗(yàn)室里作為實(shí)驗(yàn)研究課題用機(jī)。高污染、高能耗的熱時(shí)效爐繼續(xù)被沿用下來(lái)。振動(dòng)時(shí)效留給企業(yè)的似乎只有陰影。</p><p>　　在21世紀(jì)初，一種新的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)— — 頻譜諧波技術(shù)在中國(guó)出現(xiàn)了，她摒棄了原有振動(dòng)時(shí)效技術(shù)攻關(guān)方向，突破了原有的技術(shù)瓶頸。因?yàn)槠?/p>

107、獨(dú)有找頻方式與處理頻率，被稱為頻譜諧波技術(shù)。頻譜諧波技術(shù)不再沿用原有的掃頻方式，而是通過(guò)傅立葉方法對(duì)工件進(jìn)行頻譜分析找出工件的幾十種諧波頻率，在這幾十種諧波頻率中優(yōu)選出對(duì)消除工件殘余應(yīng)力效果最佳的5種不同振型的諧波頻率進(jìn)行時(shí)效處理，達(dá)到多維消除應(yīng)力提高尺寸精度穩(wěn)定性的目的。頻譜諧波方式不論工件大小、頻率剛性高低、材料特性，均能找出5種不同振型的諧波峰。不受激振器的轉(zhuǎn)速范圍限制，對(duì)激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)無(wú)特殊要求，能夠處理亞共振無(wú)法處理的高剛性、