加工残余应力对海洋管道压溃性能的影响研究

为了研究加工制造过程产生的残余应力对海洋管道骨架层抗压性能的影响,首先介绍了骨架层的加工装备和成型原理,并利用MARC软件模拟了骨架层的整个冷弯成型过程,得到了加工残余应力等结果;然后将加工残余应力导入ANSYS有限元模型中进行分析,得到其对抗压溃性能的影响。计算结果表明,材料非线性和加工残余应力,最大可使骨架层的抗压溃能力下降约60%,因此在以后的抗压溃设计中必须要考虑材料非线性以及加工残余应力的影响。     

自紧炮管的疲劳寿命分析

本文用有限单元法计算了自紧残余应力对应的炮管的应力强度因子.自紧残余应力采用了符合炮管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算,根据工作内压和残余应力共同作用下炮管的总应力强度因子和测定的炮钢断裂韧度及疲劳裂纹扩展性能,分析了自紧炮管的疲劳寿命及自紧度和裂纹构形对疲劳寿命的影响.     

?????????????????????β??????????

激光直接成形中,几何参数、材料属性和工艺参数等众多参量均会对残余应力造成影响,需 要进行系统分析. 采用量纲分析的方法,分别提取表征几何、传热和变形的3类关键无 量纲参数,并结合三维瞬态有限元分析模型来研究这些无量纲参数对热致残余应力的影响规 律. 研究表明,选用热膨胀系数、屈服应力较小的材料,残余应力会较小;工艺控制中,可 通过降低热散失、增大激光功率和提升预热温度来减小残余应力,其中预热的效果最好.     

聚晶金刚石复合片热残余应力分布规律实验研究

利用改进的应力释放法、X射线衍射法以及Raman光谱,对平面界面结构金刚石复合片表面热残余应力分别进行了实验研究,得到了金刚石层表面热残余应力值及其分布规律,同时得到了基体厚度与热残余应力的相关关系.研究结果表明,采用应力释放法、X射线衍射法及Raman光谱法测试PDC表面热残余应力,其测试结果均与有限元分析结果相吻合,证明了这三种方法的有效性.其中,X射线衍射法测试结果的误差最大,应力释放法其次,Raman光谱法最为精确.由于应力释放法应变片尺寸及X射线衍射法光斑照射范围的限制,无法在试样表面上取较多的测试点,因此难以得到理想的热残余应力分布曲线.而Raman光谱法中所采用的激光光斑仅5μm,可以取更多的测试点,因此其结果更能真实的反映金刚石层表面热残余应力的分布规律.本文的研究结果为精确测试PDC热残余应力,从而为优化PDC界面结构、提高PDC使用性能提供了理论和实验依据.     

热喷涂涂层中残余应力分析和检测研究进展

综述热喷涂涂层中残余应力研究进展.主要内容有:对残余应力产生的最新认识,残余应力分布实验测试技术、理论分析模型及其对热喷涂材料界面结合强度影响等领域的研究进展.最后对该领域几个学术界和工程界关注的研究方向进行了展望.      

用有限单元法计算具有对称轴向双裂纹自增强厚壁圆筒的应力强度因子

本文研究了在自增强残余应力下,具有对称轴向双裂纹的厚壁简的应力强度因子的计算方法。文中采用了符合厚壁筒材料具有强化和包辛格效应实际性能的厚壁简自增强残余应力计算公式,通过叠加和等效载荷处理用有限单元法计算了残余应力对应的强度因子。本文的方法对具有自相平衡的残余应力结构的K1计算都有参考价值。     

激光辐照与拉伸预应力作用下复合材料试件的破坏研究

对复合材料T300/FAG80试件在室温及激光辐照下的力学性能进行了测试,得到材料的纵横向有效弹性模量以及拉压破坏强度,并分析激光参数对于材料力学性能的影响.试验采用波长为1064nm的Nd:YAG连续输出激光器,在不同拉伸预应力下,以不同功率密度激光辐照复合材料,并使用高速摄像机进行同步观测,对烧蚀破坏机理进行了分析并预测激光强度对于材料性能影响的趋势走向.使用有限元软件对激光辐照复合材料试件破坏时间进行数值建模,将计算结果与试验结果相对比,数据基本吻合.     

考虑塑性和刚度不匹配的焊接残余应力估算

现有残余应力计算方法未能考虑材料塑性变形和焊接接头刚度不匹配的影响,使得焊接残余应力计算结果和实际残余应力存在较大偏差.在2219-T87铝合金钨极氩弧焊焊接头残余应力测试基础上,提出一种基于非线性有限元和材料弹性模量分区的残余应力—释放应变曲线的残余应力计算方法,研究了材料塑性变形和接头刚度不匹配对焊接残余应力计算的影响.结果表明,焊接接头中非均质材料塑性不匹配可以引起对于残余应力计算的较大误差;材料塑性变形对残余应力的影响大于接头刚度不匹配对残余应力的影响.所提出方法修正了传统方法在焊接接头的残余应力计算中由于未考虑接头非均质材料塑性不匹配而引起的误差.     

氮离子注入GCrl5轴承钢的摩擦磨损性能研究

作者利用多种表面测试手段对不同条件下的氮离子注入GCr15轴承钢的摩擦学性能进行了研究,发现其表面形貌、表层残余应力、显微硬度、微观组织结构和摩擦磨损性能均与未注入材料的不同。并且指出,由于离子注入引起了表面粗糙度的降低,表层残余应力的增大和表面显微硬度的提高,以及注入层氮化物的形成,所以摩擦磨损机理也发生了变化。试验结果表明,摩擦力和磨损量的降低最高分别可达67％和83％。     

SiC/AL板的焊接残余应力分析

SiC/AL功能双材料由陶瓷和金属组成,由于该材料中的SiC具有较高的抗高温能力,AL具有较高的强度,因此在航空构件中得到运用,该双材料中孔洞焊接过程中的残余应力直接影响到双材料的性能。本文采用有限元分析手段中的死活单元技术对焊接过程进行了数值模拟计算,得到了该焊接过程的残余应力分布,并与常用的钢材焊接残余应力进行对比分析。本文同时对采用弹性复变方法和积分方程分析手段得到的焊接残余应力解析解的适用性进行了阐述。     

大瓣片高强钢球壳板冲压成形应力测试与分析

为对大瓣片高强钢球罐壳板成形过程进行应力测试与分析,在分析壳板成形工艺特点和力学特征的基础上,提出了在板材上附加随动测试架的测试方法,该测试架可随板材运动,实现对传感元件的保护,保证测试信号的输出,同时不干扰壳板的工艺条件,实现了准确测定冲压加工过程中特定状态下板壳内的应力分布及变化规律的目的。测试表明,压力加工过程中,当模具完全冲压到位时,在模具中心区域出现最大拉伸应变,应力值也最大,而卸载后该区反而出现了很小的压应力,这对容器的安全是有利的。因此在压制过程中只要控制冲压变形量,使得中间部位应力值小于材料的强度极限,就可保证板材不发生工艺性破裂,而且成形完成后该区也无不利的力学因素。     

基于FIB的微观变形载体制作技术研究及应用

变形载体包括光栅、散斑和标记点等,是光学变形测量时的重要载体,关系到测试的成败.基于聚焦离子束(FIB)微加工平台和技术,介绍了微观变形载体的设计、制作方法、程序等要点,并且利用FIB刻蚀微型孔、槽等实现材料表面微观残余应力的测量.分析和讨论了FIB制作变形载体对原有结构的影响和由此引起的残余应力测试误差.结果表明,FIB刻蚀作为一种新型的直写微纳米加工技术,结合高倍显微镜对视场的切换,可以在关键微区准确定位,并制作变形载体和实现变形测量,尤其对残余应力的测量特别有效.     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

难加工材料切削机理研究的新进展

航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料.钛、镍基合金材料切削加工性较差,主要表现在材料热硬度和热强度很高,所需切削力很大,工件、刀具容易产生较大变形;材料热扩散率低;刀具切削深度线位置缺口现象严重,以及形成锯齿状切屑等几个方面.深入研究此类难加工材料的切削机理,对于实现薄壁件高效精密数控加工技术至关重要.本文重点介绍了关于高硬度金属材料锯齿状切屑的形成机制;非连续切屑形成过程的有限元数值模拟关键技术,包括自适应网格细化、切屑与工件之间的分离准则,以及用以描述单元网格中裂纹形核与扩展的断裂准则和算法;切削区域高温、高应变率条件下材料屈服流动行为的准确描述,系统考虑应变、应变率和温度三者之间的相互影响作用;切削温度场、工件表层残余应力场的分布规律,以期消除残余扭曲变形对航空工业中普遍使用的薄壁结构件加工精度的显著影响.      

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

Mechanics of formation and rupture of human aneurysm

The mechanical response of the human arterial wall under the combined loading of inflation, axial extension, and torsion is examined within the framework of the large deformation hyper-elastic theory. The probability of the aneurysm formation is explained with the instability theory of structure, and the probability of its rupture is explained with the strength theory of material. Taking account of the residual stress and the smooth muscle activities, a two layer thick-walled circular cylindrical tube model with fiber-reinforced composite-based incompressible anisotropic hyper-elastic materials is employed to model the mechanical behavior of the arterial wall. The deformation curves and the stress distributions of the arterial wall are given under normal and abnormal conditions. The results of the deformation and the structure instability analysis show that the model can describe the uniform inflation deformation of the arterial wall under normal conditions, as well as formation and growth of an aneurysm under abnormal conditions such as the decreased stiffness of the elastic and collagen fibers. From the analysis of the stresses and the material strength, the rupture of an aneurysm may also be described by this model if the wall stress is larger than its strength.     

Residual Stress-Related Common Intersection Points in the Mechanical Behavior of Ceramic Matrix Composites Undergoing Cyclic Loading

The mechanical response of SiC-fiber reinforced barium osumilite ceramic matrix composites tested in tension with unloading/reloading cycles was very recently reported to exhibit self-assembling common intersection points (CIP) of unloading/reloading loops in the tensile domain which relate exactly to the thermal residual stress state of reinforcing fibers in a matrix of a lower coefficient of thermal expansion (Dassios et al. Compos A: Appl Sci Manuf 44:105–113, 2013). Knowledge of the experimentally-exact residual stress state enables, herein, examination of the validity of the conventional compliance-based methodology for indirectly calculating residual stresses from projected/extrapolated CIPs. The efficiency of two prominent residual stress prediction models is also tested across the experimentally-established value of thermal residual stress (TRS). The significance of the CIP as the TRS-free origin of the stress-strain curve is discussed in view of the importance in calculating accurate material property values from mechanical testing data of materials under residual stress.     

Physics-based plasticity model incorporating microstructure changes for severe plastic deformation

During machining processes, materials undergo severe deformations that lead to different behavior than in the case of slow deformation. The microstructure changes, as a consequence, affect the materials properties and therefore influence the functionality of the component. Developing material models capable of capturing such changes is therefore critical to better understand the interaction process–materials. In this paper, we introduce a new physics model associating Mechanical Threshold Stress (MTS) with Dislocation Density (DD) models. The modeling and the experimental results of a series of large strain experiments on polycrystalline copper (OFHC) involving sequences of shear deformation and strain rate (varying from quasi-static to dynamic) are very similar to those observed in processes such as machining. The Kocks–Mecking model, using the mechanical threshold stress as an internal state variable, correlates well with experimental results and strain rate jump experiments. This model was compared to the well-known Johnson–Cook model that showed some shortcomings in capturing the stain jump. The results show a high effect of rate sensitivity of strain hardening at large strains. Coupling the mechanical threshold stress dislocation density (MTS–DD), material models were implemented in the Abaqus/Explicit FE code. The model shows potentialities in predicting an increase in dislocation density and a reduction in cell size. It could ideally be used in the modeling of machining processes.     

Static and fatigue behavior of metal cylinders with enhanced surface property

Effects of surface property on the static and fatigue strength of metal cylinders is determined by analysis of the redistribution of stress and energy density. Because the mechanical constraints on the material elements in a surface layer differ so drastically from those in the interior or bulk, changes of mechanical properties in a thin surface layer can significantly alter the global behavior of a metal part. Desirable gain in mechanical strength due to surface treatments such as laser spraying, ion implantation, etc. is now well known. Developed in this work is a method for evaluating the enhancement of the static and fatigue life of metals when their mechanical properties in a thin surface layer of material are improved. An extensive increase in the surface layer thickness does not lead to appreciable changes of mechanical strength.