功能梯度涂层滚压强化的有限元分析

在功能梯度涂层模型的基础上引入了刚性轧辊,建立了功能梯度涂层滚压强化的力学分析模型,并研究功能梯度涂层的非均匀材料参数、滚压速度对其涂层的等效应力和残余应力的影响,通过计算表明,非均匀材料参数对涂层前部和后部的等效应力有明显的影响,而对涂层中部基本没有影响;在整个涂层表面的残余应力是不相等的,最大等效残余应力为400MPa,最小等效残余应力为30MPa,两者相差近10倍,而滚压速度对于涂层的等效应力没有影响。这为滚压强化功能梯度涂层材料的设计提供了理论支持。     

功能梯度Al2O3涂层残余热应力分析

Al2O3/316L功能梯度材料是一种聚变反应堆第一壁的候选材料。为避免制备过程中因材料之间热物理性能差别产生的热应力过大造成材料的失效,须对梯度材料进行合理的热应力缓和设计。运用有限元软件,分析成分分布指数、梯度涂层厚度和梯度层数目等参数对Al2O3/316L功能梯度材料残余热应力的影响。分析结果表明：体积分布指数p=1.0时所受热应力最小,涂层承受压应力作用;梯度层数为9时热应力缓和效果最好;梯度层厚度不宜过大;将非功能梯度材料与优化后的功能梯度材料的残余热应力进行比,结果显示：功能梯度材料缓和热应力效果十分显著。最后利用等离子喷涂方法制备了梯度涂层测试涂层残余应力,并与有限元结果进行对比,以验证模拟的准确性。     

ZK60镁合金表面滚压强化试验研究

试验研究了ZK60镁合金表面滚压加工中工艺参数对试件表面粗糙度、表面形貌、表面残余应力和表层显微硬度的影响,结果表明滚压力和重复滚压次数对试件的表面粗糙度、表面形貌以及表面残余应力和表层硬度影响程度较大,滚压速度影响较小。对精车ZK60镁合金试件进行滚压加工,试件表面粗糙度R a、R z最大减小了50.3%和48.1%;残余压应力最大可达-54.55 MPa;显微硬度从试件表层到内部基体材料逐渐降低,表层硬度值最大为92.83 HV 0.25,比基体材料硬度提高了15.32%。     

功能梯度压电材料壳体热残余应力

功能梯度压电材料结构成型冷却后会出现热残余现象,影响结构强度.借鉴复合材料层合结构的研究方法,将功能梯度压电材料球壳和圆柱壳沿厚度分为若干层,各层视为均匀材料,根据层间连续条件导出递推关系,得到显式的力—电—热多场耦合热残余解.统一了多层功能梯度压电材料壳体和连续功能梯度压电材料壳体热残余解.对于前者,其解为精确解;对于后者,其解为渐近解,随层数增加而收敛于精确解.其解也适用于功能梯度压电材料涂层.该方法对材料性能的变化方式(函数)没有要求,适应性强.并讨论影响热残余应力和界面强度的因素,球壳因双曲率的影响,热残余应力显著大于柱壳.     

超声滚压三维残余应力场的有限元模拟

探讨一种研究超声滚压表层残余应力的数值方法。超声滚压过程是一个强烈的塑性变形过程,涉及到复杂的静态和动态冲击挤压。根据该加工技术的原理建立了有限元模型,评估了网格参数、定义了加载方式,并通过304不锈钢圆盘的超声滚压实验对有限元模型进行验证,在此基础上,模拟了超声滚压的加工过程,分析了残余应力分布特点以及各加工参数对其影响规律。结果表明:超声滚压后,材料表面产生了分布均匀的残余压应力,随着深度的增加,残余应力先后出现一次压应力峰值和较小的拉应力峰值最后降低为0。加工参数对残余应力的幅值和深度影响程度不同,静压力、覆盖率和加工次数影响较大,振幅影响较小。     

钛合金螺栓根部圆角滚压强化的工艺参数仿真研究

针对TC4钛合金高精度螺栓根部圆角滚压强化技术的工艺参数开展仿真研究。根据滚压工艺建立螺栓根部圆角滚压强化的有限元仿真模型，获得了应力分布云图；以螺栓根部圆角的残余应力积分中值为主要研究对象，确定了应力提取路径。采用正交分析方法对滚压过程进行数值仿真，并利用结果分析不同工艺参数对残余应力大小的影响。建立残余应力积分中值-工艺参数的数学回归模型，并进行参数优化。最后，在优化结果的基础上，分别针对滚压转速、时间、摩擦因数和滚压力进行仿真试验，研究参数变化对残余应力的影响，并分析产生影响的原因。该研究结果可以为钛合金螺栓根部圆角的滚压强化工艺提供理论指导和技术支撑。     

扭杆弹簧齿根滚压强化残余应力场仿真分析

通过对扭杆弹簧齿根进行滚压强化,使其在齿根处形成残余压应力场,以有效延长扭杆弹簧使用寿命。为了研究滚压工艺对齿根残余应力场分布的影响规律,对齿根滚压加工过程进行了有限元仿真分析,建立了滚压力、等效残余应力和齿根处位移变化量三者之间的关系,研究了滚压后齿根残余应力场的分布规律。仿真结果表明,齿根表面等效残余应力随滚压力的提升而增大,但增大趋势不是线性增加;等效残余应力沿层深的分布呈指数型规律,在齿根表面达到最大值;周向残余应力沿层深的分布为先压后拉,最后趋于零。仿真结果结合在线测量装置监测齿根位移变化量,可预测滚压力和滚压后的残余应力值,从而有效地评价工件的滚压效果。     

纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值分析

为研究平面试件在纵-扭复合振动超声深滚加工后材料应力分布及变化规律,采用有限元方法对Q345钢进行了纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值模拟。首先分析了加工后试件材料各应力分量沿深度方向的分布情况,然后研究了静压力、滚压速度、振幅和相位差对加工后材料残余应力的影响规律。结果表明:经纵-扭复合振动超声深滚加工后材料表层残余应力分布较均匀,表面为压应力,压应力沿试件深度方向先增后减;试件最大残余压应力及最大横向残余压应力深度和残余压应力层深度随静压力的增大而增大,随滚压速度的增大而减小,而表面残余压应力和最大纵向残余压应力深度无显著变化;试件横向残余压应力层深度随振幅的增加小幅度地增大,但最大残余压应力幅值和深度和纵向残余压应力层深度几无变化;相位差对残余应力影响可忽略不计。     

滚压强化对45钢螺纹根部表面完整性的影响研究

采用自制的基于普通车床CA6140的螺纹根部滚压强化装置对45钢螺纹试样进行滚压强化工艺处理。使用三维形貌测量仪、显微硬度计、X射线残余应力检测仪、超景深显微镜等检测设备,对滚压完成后的螺纹根部表面粗糙度、表层显微硬度、残余应力,表层显微组织等表面完整性参数进行检测。通过进行单因素试验,探究了螺纹根部滚压强化工艺参数对表面完整性的影响。45钢螺纹试样经过滚压强化工艺后,其螺纹根部的表面粗糙度S_a由1.71μm减小到0.874μm;螺纹根部形成了明显的晶粒细化层,深度达到了120μm;显微硬度由199.3 HV增加到379.5 HV,硬化程度N=90.4%;表层残余应力呈勺型分布,残余应力在距离表面105μm处达到峰值,为-542 MPa,残余压应力层深度可达700μm。研究结果表明：滚压强化技术可以显著提高螺纹根部的表面完整性,且滚压深度这一工艺参数对其的影响最为显著。     

高强螺纹滚压工艺的有限元模拟及试验研究

对高强螺纹进行滚压处理可有效提高螺纹结构的抗疲劳性能。为深入研究螺纹滚压工艺规律,以提高螺纹紧固件的抗疲劳性能,建立螺纹滚压工艺三维有限元模型,并基于该模型研究了滚轮参数对滚压后残余应力的影响规律,最终采用疲劳试验验证了该方法的有效性。结果表明:滚轮型面夹角、直径、型面圆弧半径等参数对滚压后引入的残余应力分布具有很大影响。滚轮型面夹角越小,滚压后引入的残余压应力层越深;较小的滚轮直径有利于引入较大的残余压应力和残余应力层深;较大的圆弧半径可获得较高的表面残余压应力和最大残余压应力,同时在一定范围内导致残余应力层深减小。疲劳试验结果表明,采用未经优化的滚轮强化后,螺纹疲劳寿命提高1.6倍,而采用经优化设计的滚压轮强化后,螺纹疲劳寿命提高4倍。该结果证实了基于有限元分析的滚轮优化方法的有效性。