基于ANSYS的磨削残余应力场仿真研究

作为影响工件表面完整性的关键因素之一,残余应力影响工件强度,在制造时会导致产生变形和开裂等工艺缺陷,同时在制造后的自然释放过程中也会导致材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。本文借助有限元分析软件ANSYS,采用热—力顺序耦合方法,建立了平面磨削残余应力场的有限元模型。该模型能够动态反映磨削加工过程中工件表层残余应力的变化情况。在此基础上,分析了不同磨削参数对工件表层残余应力的影响,从计算机仿真角度对磨削加工工艺参数进行了优化。仿真结果表明,在磨削过程中,工件表层同时存在着残余拉应力和残余压应力,与其他磨削参数相比,磨削深度对残余应力的影响最为显著。     

纳米结构WC/12Co涂层精密平面磨削表面残余应力有限元模拟与试验

对金刚石砂轮精密平面磨削纳米结构WC/12Co涂层的磨削表面残余应力进行有限元模拟,忽略相变影响,基于ANSYS平台,利用ANSYS参数设计语言完成建立模型、给定材料属性、划分单元、加载和求解整个过程。对纳米结构WC/12Co涂层表面磨削残余应力进行试验研究,通过改变磨削条件得到不同磨削条件下残余应力的变化规律。将试验结果与相同磨削条件下的有限元模拟结果进行对比,发现试验结果与有限元模拟结果是一致的,证明了有限元模型的正确性。     

弧齿锥齿轮磨削齿面残余应力生成及影响因素研究

弧齿锥齿轮齿面残余应力是磨削条件下各种因素综合作用而产生的。建立了影响磨削残余应力的磨削基本参数、磨削热和磨削力的数学模型。在有限元3D单齿模型基础上,进行了弧齿锥齿轮磨削残余应力的有限元仿真与分析,并试验验证了此方法是可行的。结果表明:残余压应力呈现在弧齿锥齿轮齿面上,而残余拉应力在齿内;磨削残余应力与磨削深度、砂轮速度、展成速度、磨削液有关;磨削残余应力的降低能有效地预防磨削裂纹。     

激光冲击强化钛合金材料数值模拟

航空发动机叶片工作环境相对严苛,合理运用表面处理技术,能在不改变叶片材料的前提下,提高叶片的抗外物损伤与疲劳性能。基于ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件开展激光冲击强化钛合金材料的数值仿真研究。通过残余应力分布和表面形貌变化的比较,分析激光冲击强化过程对钛合金材料的影响。结果表明：激光冲击强化处理可使外物损伤模型冲击处发生塑性应变,引入残余应力,达到强化目的。     

纳米结构WC/12Co涂层精密磨削残余应力的有限元模拟与试验研究

对金刚石砂轮精密磨削纳米结构WC/12Co涂层时得到的磨削残余应力进行了有限元模拟,忽略相变的影响,基于ANSYS平台,利用APDL参数化设计语言完成建立模型、给定材料属性、划分单元、加载和求解的整个过程.另对纳米结构WC/12Co涂层表面磨削残余应力进行了试验研究,并与有限元结果进行了对比,证明了有限元模型的正确性.     

不同材质航空用沉头铆钉装配数值模拟

铆接在飞机装配中占有重要的地位,2017铝合金和Ti45Nb钛合金是目前常用的铆钉材料。为研究两种铆钉装配后铆钉及被连接板应力应变的异同,参照实际生产中的尺寸参数,建立了沉头铆钉装配过程的有限元模型,通过最大压铆力验证了模型的准确性。结果表明,Ti45Nb钛合金铆钉残余应力和塑性应变值均明显大于2017铝合金铆钉,产生了更为严重的应力集中,其疲劳问题更应引起关注。此外,Ti45Nb钛合金铆钉相较2017铝合金铆钉还使被连接板产生了更高的应力应变,应注意其对铆接结构刚度和应力腐蚀开裂等问题的影响。     

超细硬质合金磨削残余应力仿真与实验研究

本文进行了金刚石砂轮平面磨削超细硬质合金残余应力有限元仿真,通过ANSYS软件中的APDL参数设计语言,完成了对超细硬质合金材料建模、网格划分、加载、求解的整个过程,并对超细硬质合金磨削表面残余应力进行了实验论证,得出了不同磨削参数下的磨削残余应力值,对比了不同目数砂轮和不同WC晶粒硬质合金在同一磨削参数下的残余应力值。研究发现,目数小的砂轮磨削时产生的残余应力值要大,WC晶粒度越小,磨削的残余应力值越大。结果表明,实验结果与有限元模拟大致相同。     

基于热力耦合的磨削残余应力仿真与试验研究

基于淬硬轴承钢GCr15平面磨削试验,通过X射线衍射法对磨削表面残余应力进行测量。依据热弹塑性理论和Johnson-Cook塑性模型,建立了平面磨削有限元模型,研究了不同移动热源模型对磨削残余应力仿真结果的影响。结果表明,不同的热源模型对残余拉应力层的深度无显著影响,椭圆热源模型计算的残余应力与实验测量值最为吻合。     

预应力砂带磨削钛合金表面完整性的试验研究

为了提高钛合金加工表面的抗疲劳性和抗腐蚀性,基于预应力砂带磨削原理,进行不同预应力条件(0、100 MPa和200 MPa)下的钛合金砂带磨削试验。通过检测、分析不同预应力条件下磨削后工件的表面完整性,获得不同预应力对工件表面残余应力、粗糙度、硬度及表面形貌的影响规律;并在砂带磨粒模型的基础上,揭示预应力砂带磨削对残余应力和表面形貌的作用机理。结果表明:在材料的弹性范围内施加预应力并进行磨削能够主动加强工件表面的残余压应力状态;随着预应力的增加,残余压应力的大小呈现逐渐递增的趋势;预应力砂带磨削对表面硬度的影响甚小,且在一定范围内不随预应力的变化而变化;采用预应力砂带磨削能够得到较好的表面形貌,但会使粗糙度有微量增加。     

钛合金TC11毛坯热处理过程数值模拟

毛坯残余应力对零件加工变形有重要影响.为了显示钛合金TC11毛坯热处理过程后的残余应力状态,利用三维有限元模型对钛合金TC11的热处理过程进行了数值模拟,并研究了热处理数值模拟过程中材料本构关系、热传导等关键技术.通过数值模拟获得了热处理过程中温度的变化、残余应力的分布及最后冷却后的残余应力状态.     

12CrNi4A材料轴向超声干磨削残余应力计算及试验研究

金属材料12Cr Ni4A是一种高强度合金钢,研究12Cr Ni4A材料轴向超声干磨削(Ultrasonic dry grinding,UDG)下的残余应力计算问题。运用逆热法构建一种新的非高斯热源模型,基于有限元软件COMSOL,计算出金属材料12Cr Ni4A超声磨削温度场分布。用打孔埋布嵌入式热电偶方法测出UAG的磨削区温度历程及分布,通过有限元计算与实测结果进行对比,磨削区温度误差值在5%以内。加载运动学硬化函数,耦合磨削热及磨削力对超声磨削残余应力场进行有限元计算,得到超声磨削表层残余应力分布,与实测值进行对比,误差在10%以内。研究表明:1)超声磨削可有效降低磨削区温度,降低幅值为24.1%;2)超声磨削可有效减少磨削残余拉应力,增加磨削残余压应力。所提出的预测超声干磨削残余应力的方法,对超声磨削的深入研究有借鉴参考价值。     

基于热力耦合模型的金属切削过程有限元分析

基于有限元理论和热力耦合模型的研究,通过讨论切削过程中的关键技术,主要包括切削加工有限元方程的建立：构件材料的Johnson-Cook本构模型;切屑分离准则;材料断裂准则;接触摩擦模型;切削热的产生和分布;残余应力的分析和切削力的比较分析等,建立了二位金属切削过程模型,通过采用粘结．滑移摩擦模型,有效地模拟了航空钛合金的切削加工过程,对此类材料加工的切削力、切屑温度以及应力场和应变的分布进行了分析。     

基于ABAQUS的钛合金切削有限元分析

基于弹塑性的有限元理论建立了钛合金的二维切削模型,运用通用有限元软件ABAQUS对钛合金的切削加工过程进行了非线性的热．弹塑性仿真分析。研究了切削中涉及到的有限元网格模型、材料本构关系、刀-屑间摩擦和材料失效准则等关键技术,得出了切削中的材料表面应力应变和温度分布,为钛合金的切削工艺优化提供了一种方法。     

基于力热耦合作用的磨齿残余应力研究

根据磨齿残余应力的产生机理,运用热弹塑性理论,得出了影响螺旋锥齿轮磨齿残余应力的磨齿基本参数、磨削力和磨齿热等特征参量的数学模型。在单齿3D有限元模型基础上,磨削力的处理采用小步距移动法,力热耦合运用间接法,对螺旋锥齿轮进行了磨齿残余应力的有限元模拟与分析。结果表明：磨削后的螺旋锥齿轮齿面呈现残余压应力,里层为残余拉应力,其大小随磨削条件和磨削用量等因素的不同,呈现一定的变化规律;磨齿残余应力随磨削深度和砂轮速度的增大而增大,而随展成速度的增大而减小;湿磨比干磨可明显减小磨齿残余应力。最后,试验验证了力热耦合有限元分析螺旋锥齿轮磨齿残余应力的有效性,并与直齿圆柱齿轮的磨齿残余应力进行了试验对比分析。研究结果为螺旋锥齿轮磨齿质量的控制提供了依据。     

超声振动平面磨削的表面残余应力数值模拟

应用Deform-3D有限元软件进行具有负前角磨削刃的单颗磨粒磨削加工过程仿真,并设计制造了旋转轴向超声振动平面磨削实验装置进行工艺实验,分别得到45钢在不同磨削工况下的磨削表面残余应力仿真值和实验值,通过对比分析,发现两者的相对误差在2.47%~16.93%之间,从而验证了所建磨削表面残余应力有限元模型的正确性。仿真结果表明:普通磨削和超声磨削在工件表面均产生残余压应力,且轴向残余压应力显著大于磨削方向残余压应力;表面残余压应力随着振幅、磨削深度、磨粒负前角和振动频率的增加而增加,随着砂轮线速度的增加而减小。     

超声振动常温/中温滚压钛合金应力场分析

提出并研究了常温/中温条件下超声振动滚压强化钛合金工艺。结合实验与有限元分析方法,对比研究了超声振动滚压和超声振动温滚压两种处理工艺对钛合金表面改性层残余应力及应变分布的影响机制。结果表明:与超声振动滚压相比,超声振动温滚压工艺可以使表面和近表面材料发生更严重的塑性变形,在材料近表面引入更深的残余压应力层,从而获得更好的表面强化工艺效果。压应力和应变的进一步提高得益于高频机械冲击和温塑性的共同作用。超声滚压处理过程中,超声振动激励从根本上改变了应力在材料内的传播方式,形成动态应力波并向远离材料表面深处振荡传播,而温度场的施加加速了这种应力波形成和动态传播。     

预应力切削钛合金的有限元分析

为揭示预应力切削对钛合金Ti6Al4V加工表面残余应力的调整机理,探讨切削时锯齿形切屑的形成过程,基于预应力切削原理建立了钛合金的预应力切削有限元模型,模拟了0、280 MPa和560 MPa这3种预应力下的锯齿形切屑形成过程以及已加工表面的残余应力分布。结果表明:采用预应力切削方法可以调整钛合金已加工表面的残余应力状态;预应力对锯齿形切屑的形成过程和切屑特征无明显影响;在材料弹性极限内施加越大的预应力,表面层残余压应力效果越显著,次表层最大残余压应力值越高,残余压应力层分布也越深。     

TB6钛合金材料本构关系的试验研究

基于有限元技术的金属材料加工数值模拟对于改善加工工艺、提高工件表面质量、实现高效加工具有重要意义,其中描述材料应力应变关系的本构模型是这一分析手段的基础条件。针对TB6钛合金材料加工数值模拟分析的需要,基于万能试验机、gleeble热模拟试验机和霍普金森杆试验装置,设计并开展了多种应变率和温度工况条件下的TB6钛合金材料应力-应变试验,基于试验工作建立了TB6钛合金材料的本构关系。     

微结构模具磨削加工仿真分析与实验研究

微结构工件在磨削加工过程中产生的残余应力将导致工件变形,表面机理受到破坏,严重影响其工作性能和加工精度。本文采用实验与回归法相结合推导了超硬材料Si C的磨削力公式,找出影响磨削力大小的相关因素。为分析V形槽结构磨削加工过程中残余应力的分布规律,提出了V形槽结构磨削加工有限元建模方法。同时,采用不同数值的磨削深度进行模拟,以分析磨削用量对残余应力大小的影响,为磨削过程中参数选取、残余应力分析提供参考。     

纵扭超声铣削残余应力三维有限元仿真与试验

针对钛合金等航空难加工材料,提出采用纵扭复合超声振动辅助铣削的加工方法以实现压应力抗疲劳制造。根据侧铣-顺铣加工特性,基于热力耦合作用建立了钛合金铣削等效三维有限元仿真模型,有效提高了计算效率,实现了刀具作为载体的纵扭超声振动仿真。根据铣削残余应力的形成机理,通过机械应力和热应力的加载-释放,完成了加工残余应力的仿真。利用所建立的有限元模型,从切削力、切削温度以及加工残余应力角度出发,对比分析了传统铣削和纵扭超声铣削的差异性,得出纵扭超声振动能够有效降低切削力和切削温度,增大表面压应力值和压应力层深度。通过试验对纵扭超声铣削等效模型进行了验证,结果表明所建立的三维有限元模型能够以较高的精度对切削力、切削温度和加工残余应力进行预测;进一步通过数值模拟研究了刀具几何参数以及超声表征参数对加工残余应力的影响规律,为实现钛合金的压应力制造奠定了基础。