扭杆滚压加工仿真及疲劳寿命分析研究

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现阶段,在扭杆的滚压加工过程中,滚压深度、滚压速度、进给速度和滚压圈数等工艺参数主要是靠操作者积累经验,对工人技术素质及水平的要求较高,扭杆滚压加工工艺参数的选取具有相当大的不确定性,影响扭杆加工后的残余应力,从而影响扭杆的疲劳寿命。本文应用有限元分析软件,以某车型用扭杆作为研究对象,对其进行滚压工艺模拟,分析四种工艺参数(滚压深度、滚压速度、进给速度、滚压圈数)对滚压后扭杆残余应力的影响,并在施加不同残余应力下,分析扭杆疲劳寿命的变化趋势,同时通过扭杆滚压加工时的受力分析,提出在扭杆滚压加工时的一些改进方法。首先在ABAQUS中建立了滚压仿真实体模型,根据实际滚压加工工艺的特点,对扭杆滚压加工过程进行必要的简化;计算了材料的本构方程;设置了扭杆有限单元类型;定义了材料的参数;并对滚压实体模型进行了网格划分,建立了滚压有限元模型;同时根据扭杆在滚压加工过程中的实际情况,对其定义了仿真边界条件和接触条件。其次建立了滚压加工仿真的模拟方案,分析研究了四种工艺参数(滚压深度、滚压速度、进给速度、滚压圈数)在滚压后影响扭杆残余应力的规律。分析得出:在扭杆表层,残余压应力值随滚压深度增加而增大;增大滚压速度,扭杆表层残余压应力值也逐渐增大,并且较低的滚压速度有助于残余应力的分布均匀;增大进给速度,扭杆表层残余压应力值则减小,并且较低的进给速度有助于残余应力的分布均匀;增加滚压圈数,扭杆表层的残余压应力呈现先增大后减小最后持平的趋势;这些规律为滚压加工工艺参数选择奠定了一定的基础,同时为后续残余应力与疲劳寿命关系研究奠定了基础。然后建立了扭杆和扭转臂实体模型,详细介绍了模型的网格划分以及边界条件、载荷的施加,分析了扭杆的静强度,得出扭杆的最大等效应力为648.1MPa,扭杆的最大剪切应力为300.1MPa,最大应力位置出现在扭杆的过渡圆角处;得到了扭杆的等效应力分布,为后续分析扭杆的疲劳寿命做准备;分析得出了扭杆的最小疲劳寿命为1132400次,扭杆最小疲劳寿命发生在扭杆过渡圆角部位,这是由于扭杆过渡圆角部位是应力集中区,因此在设计圆角部位时应该注意结构的优化和工艺的改进;通过施加不同的残余应力,研究了疲劳寿命随着残余应力变化的趋势,得出了残余应力与疲劳寿命的关系;残余压应力会降低扭杆的疲劳寿命,残余拉应力则能够增大扭杆的疲劳寿命;随着残余压应力的增大,疲劳寿命也随之增大,在残余压应力大于等于600MPa时,扭杆疲劳寿命已经大于10e7次;计算出了扭杆在不同滚压参数下的残余应力对应的疲劳寿命,通过对比不同参数下扭杆的残余应力及疲劳寿命,得出了最佳的滚压工艺参数。最后通过扭杆滚压加工时的受力分析,针对扭杆的刚性差对扭杆加工质量的影响,提出在扭杆滚压加工时的一些改进方法,以获得更好的加工质量。
摘要第4-6页
abstract第6-8页
1 绪论第12-21页
    1.1 引言第12-13页
    1.2 滚压加工概述第13-16页
        1.2.1 滚压加工原理第13-14页
        1.2.2 滚压加工类型第14-16页
        1.2.3 滚压加工对表面质量的影响第16页
        1.2.4 滚压加工的有限元仿真第16页
    1.3 滚压加工国内外的发展及研究第16-19页
        1.3.1 滚压加工国外的发展及研究第16-17页
        1.3.2 滚压加工在国内的发展及研究第17-19页
    1.4 论文的主要工作第19-21页
2 有限元模型的建立第21-34页
    2.1 ABAQUS有限元软件的介绍第21页
    2.2 有限元数值模拟的理论分析第21-27页
        2.2.1 弹塑性增量理论基本原理第22-25页
        2.2.2 弹塑性问题的有限元法第25-26页
        2.2.3 动态显式有限元分析的基本理论第26-27页
    2.3 滚压加工有限元模型的建立第27-32页
        2.3.1 模型的简化第27-29页
        2.3.2 扭杆材料的本构方程第29-30页
        2.3.3 单元类型选择、材料参数定义以及网格划分第30-31页
        2.3.4 边界条件与接触条件的定义第31-32页
    2.4 本章小结第32-34页
3 滚压仿真模拟方案及结果分析第34-51页
    3.1 仿真模拟方案第34-35页
    3.2 不同滚压深度的模拟结果分析第35-39页
        3.2.1 扭杆滚压后的Mises应力第36-37页
        3.2.2 扭杆滚压后的残余应力第37-38页
        3.2.3 滚压深度对扭杆残余应力影响规律第38-39页
    3.3 不同滚压速度的模拟结果分析第39-42页
        3.3.1 扭杆滚压后的Mises应力第39-40页
        3.3.2 扭杆滚压后的残余应力第40-42页
        3.3.3 滚压速度对扭杆残余应力影响规律第42页
    3.4 不同进给速度的模拟结果分析第42-46页
        3.4.1 扭杆滚压后的Mises应力第43-44页
        3.4.2 扭杆滚压后的残余应力第44-45页
        3.4.3 进给速度对扭杆残余应力影响规律第45-46页
    3.5 不同滚压圈数的模拟结果分析第46-49页
        3.5.1 扭杆滚压后的Mises应力第46-47页
        3.5.2 扭杆滚压后的残余应力第47-48页
        3.5.3 滚压圈数对扭杆残余应力影响规律第48-49页
    3.6 本章小结第49-51页
4 扭杆滚压加工残余应力与疲劳寿命关系研究第51-64页
    4.1 引言第51页
    4.2 扭杆静强度分析第51-54页
        4.2.1 扭杆及扭转臂建模及网格划分第51-52页
        4.2.2 扭杆和扭转臂接触定义第52-53页
        4.2.3 扭杆与扭转臂约束和载荷施加第53页
        4.2.4 静强度结果及结果分析第53-54页
    4.3 扭杆疲劳寿命预测第54-58页
        4.3.1 Fe-safe软件简介第54-55页
        4.3.2 寿命预测方法第55-56页
        4.3.3 定义材料属性和算法第56-57页
        4.3.4 导入载荷谱第57-58页
        4.3.5 疲劳寿命计算结果及分析第58页
    4.4 表面残余应力与疲劳寿命的关系第58-60页
    4.5 不同滚压参数下扭杆的残余应力与疲劳寿命第60-62页
    4.6 本章小结第62-64页
5 扭杆滚压加工的改进方案第64-66页
    5.1 振动对机械加工质量的影响第64页
    5.2 对扭杆滚压加工提出改进方案第64-65页
    5.3 本章小结第65-66页
6 结论和展望第66-68页
    6.1 结论第66-67页
    6.2 展望第67-68页
参考文献第68-73页
攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果第73-74页
致谢第74-75页
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