IMECH-IR  > 先进制造工艺力学重点实验室
激光热疲劳过程弹塑性应力场的数值模拟
Alternative TitleNumerical Simulation of Elastic-plastic Stress Field in Process of Thermal Fatigue by Laser Heating
刘晓博
Thesis Advisor王之桐
2017
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline工程力学
Abstract铝铸轧辊套在使用过程中经受周期性的热冲击,热疲劳裂纹是其主要失效形式。激光热疲劳试验相对常规热疲劳试验具有热源可控性好、能量密度高等特点,能够加速材料损伤的累积,缩短试验周期。力学所激光毛化中心利用扫描式激光热疲劳装置对铸轧辊套材料32Cr3Mo1V的热疲劳性能进行了研究,通过光束的匀束与整形模拟带状铝液热源,研究发现在试件表面较大的磨痕处,1000周次出现裂纹,并且裂纹长度随着循环周次的增加而线性增加。通过试验的方法研究激光热疲劳过程中温度、应力应变的分布和变化尚存在困难。本文针对铸轧辊套材料32Cr3Mo1V,用数值模拟的方法对激光热疲劳过程中的温度场、应力应变场进行了计算和分析。 本文数值模拟中用到的材料物理力学性能参数均由试验测得:(1)使用集总参数法测量了32Cr3Mo1V材料的激光吸收率,并研究了表面粗糙度和氧化状态对吸收率的影响。(2)使用示差法测量了材料从室温到不同试验温度的热膨胀系数。(3)通过高温拉伸试验的方法测量材料在不同温度下的屈服强度、弹性模量和切线模量。 建立了激光热疲劳过程试件温度场的有限元计算模型,为了提高计算精度,在激光扫描路径附近采用尺寸为0.1mm网格,在其他区域则采用尺寸为1mm网格。利用ANSYS提供的APDL语言实现了面移动热源的施加与计算求解,通过局部坐标系的创建与删除实现了多周次温度场的计算。结果显示:随着激光扫描加热的进行,试件中最高温度逐渐增加,并很快趋于稳定;在激光辐照区域边缘存在较大温度梯度;通过研究激光扫描路径中点温度-时间演化曲线发现,在激光热疲劳过程中,温度呈周期性变化并具有良好重复性。 在多周次温度场计算的基础上,采用双线性随动强化模型对激光热疲劳过程中的弹塑性应力场进行了模拟。在激光扫描过程中,激光辐照区域材料因热膨胀而受到周围材料约束产生压应力,且超过材料的屈服强度,发生了压缩塑性变形,激光离开以及冷却阶段,材料由于冷却收缩受到周围材料约束而产生拉应力,由于拉应力小于材料屈服强度,因此冷却阶段不产生反向塑性变形,仅有部分压缩弹性变形的恢复,在热循环作用下材料呈现出弹-塑性应变循环的特点。通过研 究激光扫描路径中点Y轴应力、塑性应变的变化发现,冷却阶段产生的拉应力随着循环周次的增加而增加,并逐渐趋于稳定,但始终小于材料的屈服强度;塑性应变随着循环周次增加而逐渐累积,并于第6周次达到最大值,最大压缩塑性应变为-0.25293%,随后材料形成稳态滞后环。 在多周次弹塑性应力场计算的基础上,采用Coffin-Manson-Basquin总应变-寿命模型对疲劳寿命进行了估算,模型中的材料疲劳性能参数由四点关联法确定,并通过与试验数据对比,分析了试件疲劳寿命的影响因素,其中应力集中效应和材料的高温氧化是影响试件疲劳破坏的主要因素。 带有半球缺口(R=10-4m)模型的激光热疲劳过程数值模拟结果显示,在缺口处存在过热现象,最高温度为605℃,由此引起的材料力学性能降低,将导致缺口处塑性变形增大,有利于裂纹在缺口附近萌生和扩展。不同尺寸缺口模型的数值模拟结果对比显示试件粗糙度与试件疲劳寿命之间呈负相关。
Call NumberMas2017-016
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60402
Collection先进制造工艺力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
刘晓博. 激光热疲劳过程弹塑性应力场的数值模拟[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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