（机械工程专业论文）大规格贵金属币生产的安全分析.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n p r o d u c t i o ns a f e t y a n a l y s i so fb i g s i z en o b l e m e t a lc o m m e m o r a t i v ec o i n b yy a n gy a n b i n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 撕彤张艰彤 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 大规格贵金属币生产的安全分析 摘要 随着造币技术的发展，产品和工艺的多样化，造币过程中的安全问题也愈来愈 引起人们的重视，但是由于造币的行业特殊性，在目前还没有对大规格贵金属币 生产中的安全问题进行深入的研究和探讨。 本文对大规格贵金属币生产中的安全问题进行了系统的分析，提出预防措施。 重点对金属模圈开裂崩碎这种易造成严重后果的安全隐患进行了研究。鉴于可能 发生事故的严重性，为了尽可能避免意外事故带来的人员伤亡和经济损失，本文 将根据现场的实际情况对金属模圈的破坏过程进行研究，寻求疲劳破坏过程与其 动态特性之间的变化关系，提取诊断信息从而为预防事故的发生提供科学依据。 通过查阅大量的国内外资料，对金属模圈由于其结构特点、环境温度以及工 作状态下将承受装卸载荷作用，从而受到压力、弯矩，以及交变力等因素的综合 作用的分析，本文采用了实验和数值仿真相结合的方法，并用实验对数值解进行 验证，并对金属模圈进行应力分析，根据金属模圈在完好状态下的应力分布，从 现场的故障情况综合考虑确定金属模圈最危险部位。在此基础上，对有裂纹时的 金属模圈各种状态进行应力分析，并且分析了影响结构动态特性的因素，以及金 属币生产过程中其他的安全隐患情况。 关键词：疲劳破坏有限元贵金属币 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r o du c t i o ns a f e t y a n a l y s i so fb i g s i z en o b l e m e t a lc o m m e m o r a t i v ec o i n 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明 摘要 a b s t r a c t ， 第1 章绪论 1 1 金属硬币的制作过程 1 1 1 选材和坯饼处理 1 1 2 设计制模 1 1 - 3 压印硬币 1 1 4 大规格贵金属币制做的特点 1 2 大规格贵金属硬币制作过程中的安全隐患及预防 1 2 1 金属模圈失效模式 1 2 2 其他安全隐患之一作业方式本身的危险性 1 2 3 其他安全隐患之二一压力机本身的危险性 l - 2 4 其他安全隐患之三非加工作业时的危险性 1 2 5 其他安全隐患的事故预防 1 3 国内外结构裂纹仿真与诊断技术发展和研究现状 1 3 1 计算机仿真技术在结构裂纹研究中的应用 1 3 2 结构裂纹诊断技术的发展 1 4 本文的主要工作 第2 章金属模圈强度分析 2 1 有限元理论简介 2 2 有限元软件m s c n a s t r a n 介绍 2 3 模圈的有限元计算结果 2 4 模具的有限元计算结果 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 本章小结1 6 第3 章金属模圈强度实验研究17 3 1 应变测试原理1 7 3 1 1 单应变片测试原理1 7 3 1 2 应变花测试原理1 8 3 2 测试过程1 8 3 2 1 测点分布1 8 3 2 2 实验过程1 9 3 2 3 实验所需仪器及其设置1 9 3 3 测试结果1 9 3 3 1 应变测试结果1 9 3 3 2 最大主应力、最小主应力和最大切应力2 l 3 4 应变测试与有限元分析比较2 3 3 5 本章小结2 4 第4 章金属模圈断裂过程的仿真2 5 4 1 断裂的萌生与扩展研究2 5 4 1 1 断裂方式与断裂扩展方式2 5 4 1 2 裂纹萌生一扩展准则与裂纹扩展方向准则2 6 4 2 裂纹扩展仿真关键技术研究2 7 4 2 1 前处理2 7 4 2 2 有限元计算及参数求解2 8 4 2 3 金属模圈断裂仿真2 8 4 3 本章小结2 9 第5 章金属模圈断裂的诊断与预防3 0 5 1 结构裂纹的诊断方法3 0 5 1 1 超声波测量裂纹深度的方法3 1 5 1 2 涡流法测定裂纹深度的方法3 1 v 东北大学硕士学位论文目录 5 1 3 电位差法测定裂纹深度的方法3 2 5 1 4 振动法测定裂纹深度的方法3 2 5 2 金属模圈裂纹深度的实验研究3 3 5 2 1 实验仪器的选取3 3 5 2 2 测试系统的构成3 4 5 2 3 振动信号的处理3 4 5 2 4 有裂纹与无裂纹金属模圈振动特性的比较3 7 5 3 本章小结3 7 第6 章总结。3 8 参考文献3 9 致谢4 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 金属硬币的制作过程 整个金属硬币的制造过程可以归纳为三个基本内容：选材和坯饼处理、设计制 模、压印。 1 1 1 选材和坯饼处理 ( 1 ) 选择材质 制造硬币可以采用不同的金属材质，比较常见且相对价格低廉的金属被用来铸 造低面额硬币，而稀有金属如黄金、白银、铂则被用来铸造具有投资和收藏价值 的纪念币。 好的铸币材质要求具有一定的物理特性，例如，金属质地要软而易于加工成形， 同时还要能够经受流通过程中的磨损。由于兼具上述特性的金属极少，因此铸币 材质通常是两种或多种金属熔为一体的合金。在美国和其他许多国家，常见使用 的金属有铜、锌、镍、铁、铝等，其中铜无论本身还是构成合金都是一种非常理 想的铸币材质。金银通常与其他金属合金来提高硬度，铜就是首选材料。平常所 说的“纯”金或银币其实都含有微量的其他金属成分，当然，其价值主要是按币中贵 金属的含量来估算。 ( 2 ) 坯饼制作和处理 硬币是由坯饼压印而成的，制造坯饼的具体过程是：( 1 ) 将所选择的金属放在熔 炉中熔成液态合金，浇入铸锭( 槽) 冷却或被压制成条片( 较厚) ；( 2 ) 对铸锭或较 厚的条片进行数次滚压轧制，使之成为厚度符合坯饼要求的条片；( 3 ) 将条片冲压 成半成品的坯饼，并等待进一步加工处理。 坯饼的好坏直接影响成品的质量，因此坯饼的处理是一个非常关键的环节。从 合金条片冲压下来的坯饼很粗糙，表面不光滑且四周有毛边，需要进一步精加工， 具体步骤是：( 1 ) 将坯饼放入外形类似特制搅拌机的柱状退火炉中，退火炉旋转。 高温对坯饼进行软化处理。( 2 ) 退火软化后的坯饼被置入稀释的酸或肥皂溶液中进 行清洗。( 3 ) 用专门的机器设备对坯饼磨边、抛光。经过以上处理后的坯饼就可以 直接用来压印硬币了。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 2 设计制模 ( 1 ) 模具及其工作原理 使一块金属变成一枚有图案的硬币需要借助正面、背面两个模具。实际操作的 方法是：把其中的一个模子固定并将坯饼放在上面，用另一个可上下移动的模子 来冲压，这样就使坯饼的两个面在力的相互作用下同时压印上图案。模子一般由 特种钢制成，其表面刻有图案且质地坚硬，可以在铸造过程中使硬币表面呈现镜 面效果。由于硬币表面是浮雕镜面效果，因此工作模表面图案的每一部分都是凹 进去的，即所说的“阴模”。 ( 2 ) 图案从平面到立体的制模过程 图案设计工作开始于艺术家的平面画稿，而使平面图案变成硬币上精美逼真的 立体浮雕则需要一个复杂的工艺过程：( 1 ) 雕刻师用油土将画稿上的平面图案通过 三维立体表现出来，然后翻成石膏模或树脂模；( 2 ) 将石膏模或树脂模放入电解液 中，经过电镀制成图案凸出的铜质模坯，也称铜型或母模；( 3 ) 通过雕刻机上触针 和雕刻刀的同步划动而把母模上的立体图案按既定的比例缩刻复制到另一个金属 模坯上，这就形成了原模，也称子模，其表面的浮雕效果与实际硬币的完全相同； ( 4 ) 把原模淬火增加硬度后，在大吨位液压机上对另外的模坯进行反复冲压，形成 图案下凹、具有镜面效果的工作模，然后再将工作模淬火提高硬度，以备压印时 用。 一个原模可以反复使用、冲压翻制成很多图案完全一样的工作模，这就是为什 么有些图案不变的流通硬币可以常年生产而不间断的原因。 1 1 3 压印硬币 在早期人们通过手工锤击方法铸币的时候，曾采用了金属模圈技术，这一技术 现在仍被利用，即在金属板上开凿一个与硬币直径相同的圆孔，将坯饼放入孔中， 以防止在冲压过程中坯饼由于受压而延展变形。有齿边的硬币要求金属模圈内侧 四周要设计成齿状，机器冲压时，坯饼四周的齿状和正背面图案同时压印出来， 成为有齿边的硬币；周边有字的硬币则要使用四周刻字的工作模和分割开的金属 模圈，然后通过压印机将文字压印上去，现在的生产工艺也有通过滚边印字的方 式。 现代铸币压印机通常是采用“曲杆动力”驱使冲压头上下移动来完成印压。利用 原模通过冲压制成工作模需要几百吨的压力，压印硬币的吨位虽然小一些，但也 2 _ 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 需要相当大的压力，如一枚镍币需要3 0 吨平方英寸的压力，而一枚银币则需要 1 5 0 吨平方英寸的压力，其他材质的硬币也基本在这个范围内。 就是通过上述的机械过程，坯饼被压印成可流通的硬币。 1 1 4 大规格贵金属币制做的特点 这里所说的大规格贵金属币是指5 一1 0 公斤以上的银质或金质纪念币( 章) ， 其生产过程大体与普通流通币相同，但由于其为贵重金属，并且体积、重量很大， 所以存在一些独有的特点： ( 1 ) 坯饼的生产大多不能通过冲制完成，需要靠车床车削至所需的重量、尺寸。 ( 2 ) 坯饼的处理不能像普通币一样大批量放在搅拌光饰机中完成，而需要专用 抛光机械来完成，有些甚至需要手工抛光。 ( 3 ) 由于大规格贵金属币体积、厚度很大，要达到需要的图纹高度和效果需要 很大的压印力来实现，所需压印力往往达到普通币的十几倍，而且需要多 次压印来保证效果。因此，压印效率很低，压印过程所带来的金属模圈破 裂等安全隐患产生的几率也相对较大。 “) 产品规格大，相应配套的模具、模圈等体积、重量也随之增大，并且由于 生产量小，工件和夹具的安装全部要靠手工来实现，因此带来的安全隐患 也随之增加。 1 2 大规格贵金属硬币制作过程中的安全隐患及预防 1 2 1 金属模圈失效模式 据资料统计，在机械设备的事故中大约有7 0 8 0 是由疲劳破坏造成的。硬币 制作过程中使用的金属模圈是由特种钢拼焊而成，对于这种焊接件，其制作过程 产生缺陷和故障机率是较大的；而且在硬币制作过程中，特别是大规格贵金属币 的制作过程中，金属模圈要承受高冲击、高压力和高温反复作用。因此，在经常 性的加卸载及其工作过程中，金属模圈出现不同性质的疲劳破坏是在所难免的。 而且，由于金属模圈要受到冲击载荷的作用，金属模圈在出现裂纹后还可能会发 生金属碎片崩飞伤人的事故。据报道，在某造币厂，发生过由于金属模圈出现裂 纹未能及时更换，在制币过程中崩裂，小金属碎片飞出，打伤操作人员的事故。 金属模圈疲劳破坏、崩裂属于小概率事件，到目前为止对其研究还很少。为了尽 可能避免意外事故带来的人员伤亡和经济损失，本课题将根据现场的实际情况对 金属模圈的破坏过程进行研究探讨，寻求疲劳破坏过程与其动态特性变化之间的 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 关系，提取诊断信息从而为预防事故的发生提供科学依据。 1 2 2 其他安全隐患之一作业方式本身的危险性 大规格贵金属币的生产，都是直接用手上下料。这种操作方式本身就具有危险 性。一是坯料本身重量很大，在装夹、搬运过程中易造成人身伤害；二是上下料 时操作者的手部始终处在压力机的工作区，也就是设备的最危险部位。 1 2 3 其他安全隐患之二一压力机本身的危险性 生产大规格贵金属硬币所用的压力机与其他行业的压力机基本相同。而占压力 机本身总数约7 5 的压力机，都是使用刚性离合器，在下降过程中无停止功能； 离合器和制动器的有关部件受冲击和磨损较大，这种压力机易发生滑块二次下落， 存在的安全隐患较大。 1 2 4 其他安全隐患之三一非加工作业时的危险性 同上下料样，在模具的安装、拆卸、调整等非加工作业时，人体需进入模具 空问，当模具自然下落，或者启动开关误动作时，会造成人身伤亡事故。 1 2 5 其他安全隐患的事故预防 为了防止我们提到的其他安全隐患，我们配备了多种安全设施，比如双手操作 式安全装置，在冲压工作时强制操作者的双手远离压力机的工作区；机电连锁门 式安全装置，当防护门关闭时，设备连锁开关切断，使压力机不能进行冲压动作； 光电保护装置，在冲压机危险区域周围，设置光幕，形成具有检测能力的检测区 域，当操作者的身体或手持某种物体进入检测区域遮断光幕时，控制机构发出停 机信号，从而保证安全。 除上述安全装置外，还必须制定详尽的安全技术操作规程，并要求操作者严格 遵守。现列举我们的1 6 0 0 吨压力机安全技术操作规程如下： ( 1 ) 必须由经过培训考试合格有操作证的人员操作。 ( 2 ) 开机前按照操作规程要求进行检查，机器必须完好。 ( 3 ) 熟练掌握设备构造、性能及各开关、按钮、显示器等功能与使用方法。 ( 4 ) 开机前请做好下列工作： 检查设备电气部分的内外状况，确认其完好。 三相电压平衡、正常。 ( 5 ) 进行s e t u p ( 准备) 操作，压力机调整，模具与工装的安装调整。机组必 须有人监护，防止误操作( 工装模具安装调整规则由工艺人员制定) 。 一4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 6 ) 在模具区域工作时，应当在上下工作台面之间放置安全可靠的支撑物，在 此区域内作业( 如修整模具) ，必须按s w i t c hb l o c k ( 控制断电) 按钮切 断控制，为防止无意接通控制，挂上“不许送电的警告标志。 ( 7 ) 压力机不工作时，下工作台必须位于下端停止位置。 ( 8 ) 压力机停电卸压后，才能拧紧各装置，如控制单元的螺钉及管接头等。 ( 9 ) 凸轮开关的档铁用于确保工作台运行的安全距离，不准随便调整。 ( 1 0 ) - r 作前检查双手按钮、紧急停车、光栅的控制功能。 ( 1 1 ) 操作时应防备模具等出现异常情况，防护罩必须合上。 ( 1 2 ) 开机时如发生报警信号，请按c a n c e l i n go fm a l f u n c t i o n ( 消除) 按钮。报警信号若不能消除，应立即查找报警的故障原因并排除，必要时 请专业维修人员处理，确认无报警方可工作。 ( 1 3 ) 开机时如发生“跳闸 现象，找专业人员查明原因，再进行第二次启动开 机。 ( 1 4 ) f _ 作过程中如发生异常现象，必须立即停机，经专业技术维修人员检查并 排除异常后方可继续开机工作。 可以看出，即使设备配备了完备的安全装置，也需操作人员遵守作业规范、并 确保各种安全装置的完好有效才能保证生产、维修中的安全。 金属模圈开裂崩碎造成的危险是本文关注的重点，为了预防模圈崩碎造成事 故，我们在压力机工作部位前面加装了透明的防护屏板。但是，深入研究模具崩 裂的机理，从而采取措施防止其出现崩裂现象才是解决问题的治本之道。对其深 入进行研究，防止裂纹的产生不仅可以大大提高生产的安全程度，同时可以极大 地延长模圈的使用寿命，因此，本文重点对模圈的裂纹产生的机理和裂纹的预防 进行深入研究。 1 - 3 国内外结构裂纹仿真与诊断技术发展和研究现状 1 3 1 计算机仿真技术在结构裂纹研究中的应用 试验、理论分析和数值模拟是研究疲劳裂纹扩展【h 】的三个不可缺少的方面， 其中三者各有优缺点，必须相互结合，推动研究发展。有限元模拟适用于探索不 同的材料、加工过程、几何形状和本构关系的影响，可给出任意时刻全场上的应 力、应变及位移，因此受到国内外的重视，不少学者在这方面进行了研究【5 埘。依 据现代结构动力学观点，故障的存在，必然使系统的本构关系发生变化，相应地 _ 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 影响到结构的动态特性，所以各种结构参数都将在不同程度上受到影响，一般结 构的固有频率随裂纹的出现而呈下降的趋势。 将计算机仿真技术应用于结构裂纹的研究是正在兴起的- r 学科，这也是带伤 结构动力学的前沿问题。计算机仿真技术开始于5 0 年代，当时使用模拟计算机进 行仿真，后来逐步采用数字计算机。起初是将仿真技术用于系统的设计和研究， 而且主要是在航空、航天部门。随着工业技术的发展，在冶金、电力等部门也已 广泛应用计算机仿真系统来设计新的系统。6 0 年代初，英国钢铁协会在计算机上 进行了冷轧机机架的仿真实验，其结果与实际结果比较一致从而开始用计算机进 行仿真来代替现场实验。7 0 年代以来，美、英、德等国的大型电器设备制造公司 的研究开发部门，在研究设计制造新型热连轧机和冷连轧机系统时，先后采用了 计算机仿真技术，并建立了相应的仿真系统。8 0 年代，西北工业大学的王茉瑚采 用断裂力学中的最大周向应力理论和能量密度因子理论对齿轮常发生的弯曲疲劳 裂纹和涡轮发动机的枞树形榫槽裂纹的发生位置和扩展方向用有限元做了数值计 算，找到了裂纹的发生部位和扩展方向，从而使裂纹故障再现并帮助分析结果。 东北大学设备诊断研究所经过多年的努力，从理论到实践两方面深入地研究了钢 梁和钢筋混凝土上裂纹位置和深度的一般规律。杨英杰 9 1 在此基础上讨论了裂纹结 构动力仿真模型建立的各种方法，提出了一种新的仿真模型建立方法：网格一变 刚度一子结构法，并通过实验和计算机仿真建立了裂纹位置和深度与固有频率特 性变化之间的关系。进入9 0 年代以来，利用计算机对结构裂纹的研究逐渐深入。 西北工业大学在这方面已做了很多工作，根据断裂力学理论推导了裂纹单元的刚 度矩阵。浙江工业大学的陈江 1 0 j 等用有限元法进行表面裂纹准静态扩展的模拟， 验证了变阻力断裂准则作为裂纹稳态判据的有效性。王燕群【l l 】等用有限元模拟方 法对所选用的循环塑性本构关系进行了检验，并探讨了疲劳裂纹扩展有限元分析 中网格尺寸的影响，给出了网格优化准则。中国科学院力学研究所的魏悦广【1 2 j 等 在有限元网格设计上采用了一种新的方案，即在裂纹尖端的起始位置或扩展瞬间 位置网格均设计成密集的扇形单元，通过释放裂纹尖端前2 8 个顶点的方式模拟裂 纹的连续扩展，并取得了良好效果。j e n gm i n g c h a n g 等用有限元仿真法研究了在 复杂载荷作用下疲劳裂纹增长的寿命预测问题。而m i y a z a k i 和n o n y u h 用有限元 仿真法研究了不均匀材料中的稳定裂纹增长问题。x i a oq i a o y a n 等开发了三维问 题非线性材料有限元程序，这个程序有许多功能，其中之一就是数字仿真稳定裂 纹的增长过程。x b l i l l 和r a s m i t h 提出了一种用来仿真具有实际重要性的大范 - 6 - 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 围平面裂纹的通用技术，裂纹扩展预测是根据用有限元方法计算基于p a r i s 公式的 应力强度因子，这种方法对于应力强度因子的计算能得到足够的精确度。m m k l e e 等用数值仿真和实验相结合的方法对有纯弯曲或拉伸载荷作用下的焊接杆 组和板结构进行研究，其研究结果表明数值仿真具有相当的准确性。经过不懈的 努力，许多学者研究了预测没有形状约束的疲劳损伤裂纹的数值方法。其中s m i t h 和c o o p e r 提出了仿真疲劳损伤裂纹形状变化的有限元技术，随后c h i p a l o e t 等和 g i l c h r i s t 等用这种技术检验有单一内部缺陷和半椭圆表面缺陷的有限厚度平面的 拉伸疲劳裂纹增长问题。沈阳工业大学的罗跃纲1 1 3 】等用有限元仿真法，通过对具 有裂纹的结构频率和模态响应的分析，总结了带伤结构动态特性的一般规律，得 出了可以通过结构频率及模态变化的分析来对结构的损伤程度进行判断的结论。 有限元仿真法成功地应用于动力分析，因此是研究带伤结构发展的方向。 1 3 2 结构裂纹诊断技术的发展 机器或设备故障诊断发展较晚，美国设备诊断技术发展较早，是从6 0 年代才 开始的。由于设备诊断在整个工业中扮演着比较重要的角色，这些年来逐渐得到 重视，从而诊断技术也得到了迅速的发展。到目前为止，各种各样的诊断技术已 被应用于众多领域中1 9 - 1 2 1 。在工程领域，已有以机械设备、电子仪器、基础桥梁、 工程结构，乃至以计算机系统等为对象的各种诊断技术。从6 0 年代中期开始，设 备诊断技术的发展速度、研究规模、所取得的成绩和达到的应用程度都是令人鼓 舞的。美国1 9 6 1 年具有时代意义的阿波罗计划的执行、日本1 9 6 4 年作为技术进 步象征的新干线和东京奥林匹克体育场的建成，以及英国1 9 7 0 年从节省资源和降 低成本角度出发关于设备综合工程学和寿命周期费用的提出，都给发展设备诊断 技术以极大的推动力。从技术背景方面看，6 0 年代计算机和电子技术的发展，以 及快速傅立叶变换和算法语言的出现，把信号分析从硬件到软件推向新的高度。 设备系统和产品零件的可靠性工程的发展以及对零件失效机理的研究等，像振动 诊断技术 1 3 - 1 6 】、声发射技术【1 7 2 0 1 、红外测温技术1 2 m 4 1 、油样分析技术【2 5 2 引、振动 信号谱分析技术【2 9 。，以及各种无损测试技术如涡流法【3 3 。3 6 1 、电位差法 3 7 - 4 0 1 等技 术的出现和研究，都在硬件和软件两方面极大地推动设备诊断技术的发展。 我国在1 9 7 9 以前，一些大学院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的 研究课题，逐步开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术理论研究和小范围工 程实际应用研究。从1 9 7 9 年开始，有不少工厂企业在熟悉苏联维修体制的基础上， 开始研究美、日、德、瑞典等国的维修体制，从中知道状态检测与诊断维修对改 - 7 -，- 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 善管理具有很大优点，对企业许多方面都有促进作用，逐渐进一步接触这方面的 问题。现在，许多企业及高等院校都有从事设备诊断的研究，诊断技术也在逐步 趋于成熟。 设备诊断的技术和方法很多，必须结合设备故障的特点，根据故障征兆信号的 有效性，相应地采用不同的诊断技术和方法。常用的典型诊断技术和方法有【4 1 舢】： 振动诊断技术、声诊断技术、温度诊断技术、铁谱诊断技术以及光学诊断技术等。 振动诊断技术是利用正常机器设备的动态特性( 如固有频率、振型、传递函数等) 与异常机器或设备动态特性的不同，来判断机器或设备是否存在故障。采用振动 诊断技术可以根据机器或设备在运转中产生代表其动态特性的振动信号，在不停 车的条件下实现在线检测和故障诊断；对于静态设备和工程结构，可以对它施加 激励，然后根据其动态响应采用振动诊断技术就可以诊断出结构是否存在损伤或 裂纹。振动诊断法所采用的方法很多，例如振动特征分析、振动谱分析、振动倒 频谱分析、振动包络分析、振动全息谱分析、振动三维图分析、振动时域分析和 振动模态分析等，振动诊断技术在设备故障诊断中应用的十分广泛。在机器产品 的无损检测中，振动诊断也有它的特殊地位。当焊接件用超声波或x 射线无法检 测的情况下，用振动诊断法可以明显地检测出来。例如，铝合金自行车车架是高 强度航空胶粘接的，往往由于粘接表面清理不干净产生假粘接现象，若用超声波 或x 射线检测并无异常现象，而用振动诊断法可以很准确地区别出胶结质量的好 坏。振动诊断技术包括四方面内容：振动信号的采集、振动信号处理、故障识别 和故障预报。 虽然设备故障诊断技术发展比较迅速，但对含有裂纹的结构或设备的诊断却比 较复杂，主要原因之一是受目前无损检测技术水平的限制。无损检测是制约结构 或设备进行诊断的重要因素之一，其根本原因不在于能否发现缺陷，关键在于能 否确定缺陷的大小，特别是其准确尺寸。尽管目前无损检测的方法很多，但能用 于定量测定的却很少。目前绝大多数裂纹检测方法都只能是半定量的，即按照标 准在样品上做人工缺陷，对比实际缺陷的信号与试样上人工缺陷的信号的大小来 近似定量。从无损技术状况来看，要测出缺陷，即使是很小的缺陷，一般是没有 问题的，但要精确定量就不容易了，如缺陷长度、深度、离内外表面的距离等， 这些都是进行断裂力学计算和结构安全评定分析的关键。工程中遇到裂纹有垂直 于表面的直裂纹，也有倾斜的裂纹，弯曲的裂纹，分叉的裂纹，密集的裂纹，探 伤仪很难精确测定其尺寸。目前检测裂纹深度【4 5 韶1 的方主要有振动诊断法、涡流 8 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 法、电位差法，超声波法等。结构的动态特性只取决于结构或设备的本构关系， 随着裂纹的出现及逐渐扩展，其本构关系也在发生相应的变化，因此动态特性也 必然会呈现出相应的变化。在测试过程中给系统以激励，用振动法提取自由振动 信号，经过分析就可以得到系统的固有频率。这种方法简单，应用范围广泛，影 响因素少，能很好地反映结构或设备的动态特性。本课题即将用振动诊断法来测 取被测金属模圈的固有频率，以校核金属模圈有限元计算模型正确与否。 1 4 本文的主要工作 金属模罔由于其结构特点、环境温度以及工作状态下将承受装卸载荷作用，从 而受到压力、弯矩，以及交变力等因素的综合作用。因此，在这种工作条件下， 金属模圈将出现压缩、弯曲等变形，这样结构原有缺陷或后期生成的微裂纹就会 逐渐增大，最终导致灾难性的破坏。鉴于以上的情况，本文对金属模圈的疲劳裂 纹的扩展过程进行了研究，并做了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 采用实验和数值仿真相结合的方法，并用实验对数值解进行验证； ( 2 ) 对金属模圈进行应力分析，根据金属模圈良在完好状态下的应力分布，从 现场的故障情况综合考虑确定金属模圈最危险部位。在此基础上，对有裂 纹时的金属模圈各种状态进行应力分析； ( 3 ) 分析影响结构动态特性的因素，为金属模圈断裂的诊断提供理论基础与实 验方法； - 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章金属模圈强度分析 第2 章金属模圈强度分析 机械零部件的强度问题，是保证机械零部件正常工作的基本问题。只有机械零 部件的应力水平在安全的范围之内，才能保证工作的安全性。 在本章中，通过有限元的方法对金属模圈工作过程中的应力进行计算，并分析 应力水平是否在材料的安全范围。 2 1 有限元理论简介 有限元的理论是基于力学和数学的学科，这里研究的问题主要是线性问题，而 线性弹性理论是线性领域的工程力学理论基础 4 9 - 5 2 】。这些工程力学首先假定连续 介质结构是连续的，组成结构的材料没有间隙和空洞。连续介质力学就是研究在 外力的作用下连续实体的特征。在连续介质力学中，通过确定每个材料点在外力 作用下的运动状态，即可决定结构的变形状态。各点位移的结果使连续体发生位 移，点附近的微元体产生刚体移动、转动以及应变。物体内部的应变与物体的位 移矢量关系。该点的应变为 8 = l u f 2 1 ) 其中，8 是应变分量；工是线性微分算子；w 是位移矢量。 应力分量和应变分量通过材料定律相联系。在线弹性范围内，应力分量和应变 分量之间具有线性关系，关系形式如下： 盯= e ( 8 一岛) + ( 2 2 ) 其中，岛为初始应变；为初始应力；e 为材料的弹性模量。 第一种平面问题就是平面应力问题，只有平面内的应力分量；第二种平面问题 是平面应变问题。 对平面应力问题和平面应变问题，应变位移关系为 1 0 32 l 知瓦 + 彻一&一砂砌一秒 = l i i i 鼻 0 k 东北大学硕士学位论文第2 章金属模囤强度分析 其中，平面应力盯= 耄 ；平面应变8 = 三) 。 对于平面应力问题( 吼= - - o 弦- - 0 ) 各向同性材料的本构关系为 主三 = 去 i j f2 。三j 妻 c 2 4 ， s 。= 一詈p ；4 - 仃y ) ( 2 5 )s z2 一i p x仃) ，i 、z ) j 如果是平面应变问题( 乞= 比= = o ) ，则有 吒2 v ( 吒+ q ) ( ，2 6 、) 2 2 有限元软件m s c n a s t r a n 介绍 东北大学硕士学位论文 第2 章金属模圈强度分析 静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的手段，主要用来求解结构在与时 间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷( 如集中分布静力、温度载荷、强制位移、 惯性力等) 作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束( 反) 力、单元内 力、单元应力和应变能等，该分析同时还提供结构的重量和重心数据。m s c n a s t r a n 支持全范围的材料模式，包括均质各向性材料、正交各向异性材料、各向异性材 料、随温度变化的材料。方便的载荷与工况组合，单元上的点、线和面载荷、热 载荷、强迫位移等各种载荷的加权组合，在前后处理程序中定义时刻把载荷直接 施加于几何体上。静力分析还包括具有惯性力处理的静力分析和非线性静力分析。 2 3 模圈的有限元计算结果 针对压印机模圈工作过程的应力和应变变化进行了力学分析。压印机在工作 中，模具受到轴向的压力，模具在径向延伸的过程中，它向周围的压强可以认为 是相同的，因为它在成型中具有液体一样的流动性。所以，模圈受到的径向压强 与模具受到轴向的压强大小相同即： 尸：i f ( 2 7 ) s 、7 根据我们实验选用的制作1 0 k g 金币所用模圈数据，计算得模圈受到的径向压 强与模具受到轴向的压强为4 7x1 0 8 p a 。建立模圈的有限元模型如图2 1 ，图2 2 为模圈受到的径向压强大小和方向，图2 3 为模圈加上压强后的模型。 图2 1 模圈的有限元模型 f i g u r e2 1 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i ec o l l a r 图2 2 模圈受到的径向压强 f i g u r e2 2 r a d i a lp r e s sl o a d e do nd i ec o l l a r - 1 2 - 东北大学硕士学位论文 第2 章金属模圈强度分析 图2 3 加压强的模圈有限元模型 f i g u r e2 3 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp r e s sl o a d e dd i ec o l l a r 根据模型来模拟实际工作状况下的应力和应变，其结果如下：图2 4 是应变分 布情况，图2 5 是应力分布情况。其最大应力与应变出现在模圈与硬币接触处，模 圈受到的最大应力8 0 3 2 x 1 0 8 p a ，最大应变为3 4 8 1 1 0 - 3 m 。 i 4 8 1 e - o i 睚| ；| | 1 图2 4 模圈应变分布 f i g u r e2 4 s t r a i nd i s t r i b u t i o no fd i ec o l l a r 1 3 - 东北大学硕士学位论文 第2 章金属模圈强度分析 。ec32。e+。0i 壤薹 1 叶 t 图2 5 模圈应力分布 f i g u r e2 5 s t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i ec o l l a r 2 4 模具的有限元计算结果 模具在压印中，受到是轴向的压力，这种压力可以转换为压强，其大小如模圈 受到的压强大小相等即尸= 4 7 1 0 8 p a 。由于模具在轴向是不能移动的，所以在轴 线方向上加了约束。图2 6 是模具的有限元模型，图2 7 是加轴向压强的模具有限 元模型，图2 8 是加上约束的模具模型，图2 9 是加上约束和载荷的模具模型，图 2 1 0 为模具应力分布，图2 1 1 为模具应变分布情况。 图2 6 模具的有限元模型 f i g u r c2 6 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i e 1 4 - 图2 7 加轴向载荷的模具有限元模型 f i g u r e2 7 f i m t ee l e m e n tm o d e lo fd i eu n d e ra x i a ll o a d 图2 8 加约束的模具有限元模型 f i g u r e2 8 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i eu n d e rr e s u a i n 图2 9 加约束和载荷的模具模型 f i g u r e2 9 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i eu n d e rr e s t r a i na n dl o a d - 1 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章金属模圈强度分析 e7 8 6 e i 鹾委 v l r 。 图2 1 0 模具应力分布 f i g u r e2 10 s t r e s sd i s l r i b u t i o no fd i e 2 s c ) e ：；i 暌 y 旷“ 图2 1 1 模具应变分布 f i g u r e2 11 s t r a i nd i s t r i b u t i o no fd i e 2 5 本章小结 从上面的分析的结果可以看到，模圈受到的最大应力8 0 3 2 x 1 0 8 p a ，最大应变 为3 4 8 1 x 1 0 m ，模具受到的最大应力4 0 9 1 x 1 0 8 p a ，最大应变为2 5 0 7 x 1 0 m 。当 材料受到最大应力大于材料屈服极限时，材料就会发生变形或断裂等问题，这是 在设计中应该避免的。对于一般工程用铸铁来说，比如灰铸铁h t 3 5 0 的强度极限 3 4 0 m p a , 球墨铸铁q t 9 0 0 2 的屈服极限为6 0 0 m p a ；对于一般工程中的铸钢材料， z g 3 4 0 铸钢的屈服极限为6 4 0 m p a 。所以对于一般工程中的材料制作的模圈都会发 生断裂破坏。如果要避免发生断裂破坏，必须选用屈服强度大于所受最大应力的 材料，根据计算结果，我们选用了“瑞士一胜百模具钢制作模圈，其屈服强度 远大于所受最大应力，极大的保证了生产中的安全。 - 1 6 - 东北大学硕士学位论文第3 章金属模圈强度实验研究 第3 章金属模圈强度实验研究 机械零部件的应力、应变的有限元分析是比较成熟的分析计算方法，已经在很 多领域得到了广泛的应用。然而，由于材料本身可能存在杂质、不均匀等缺陷， 零件制造过程中也不可避免地存在各种制造误差，零部件受到的载荷的大小或形 式往往也是由假设通过简单的推理得到的。因此，有限元分析能否反映机械零部 件真实的应力分布需要用实验来检验。有限元应力分析通常使用应变测试实验来 检验【5 ”6 1 。 在本章中，通过若干测试点的应变测试来检验第2 章中有限元分析的结果。 3 1 应变测试原理 3 1 1 单应变片测试原理 应变片是最常用的应变测试传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘 贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随 之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。 rb c a ) 等臂全挢( b ) 爵式半侨 图3 1 应变测试电桥电路 f i g u r e3 1b r i d g ec i r c u i tm e a s u r i n gs t r a i n 电桥电路是常用的非电量电测电路中的一种。当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘 积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻r 、r ：、r 、r 中，电阻的相对变化率 分别为皑r , 、皑r ：、皑恐、a r 4 r , ，当使用一个应变片时，e r ：等；当 二个应变片组成差动状态工作，则有尺：警；用四个应变片组成差对工作，且 - 1 7 - 东北大学硕士学位论文 第3 章金属模圈强度实验研究 8 ：尺：r ：心：尺，职：! 竽，这分别构成单臂、半桥和全桥电路。由表达式 可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。 已知单臂、半桥和全桥电路的r 分别为a r r 、2 a r r 、4 a r r 。根据戴维定理 可以得出测试电桥的输出电压近似等于1 1 4 x e xz r ，电桥灵敏度k u = v r r ， 于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1 4 e 、1 2 e 和e 。由此可知， 当e 和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。这样 在实际测量中可以简便很多了。 3 1 2 应变花测试原理 在实际测量中，许多结构、零件都处于平面应力状态下。如果在平面应力状态 下，主应力方向未知，要想测取任意点的主应力的大小和方向，可以在该点处贴 三个相互间有一定角度的应变计来测量，这种应变计被称为应变花。图3 2 所示为 种三片4 5 。应变花。 f i g u r e3 2 s 扛a i nf l o w e ro f 4 5 。t h r e ep i e c e s 三片4 5 。应变花的最大、最小主应力和最大切应力计算公式如下： 旷南d + 南瓜瓣 ( 3 ) 吒= 南d 一南瓜瓣 ( 3 2 ) ：黑厄- - 6 b f ) + f t e b - 弋6 c ) ( 3 3 ) 2 可啊哆口 ， 3 2 测试过程 3 2 1 测点分布 在金属模圈距内孔3 0 r a m 圆周上按东、南、西、北四个方位贴4 个直角应变花， 东北大学硕士学位论文第3 章金属模圈强度实验研究 并对应变花上的应变片进行编号，如图3 3 所示。其中，第l 、2 、3 号应变片在第 1 个应变花上；第4 、5 、6 号应变片在第2 个应变花上；第7 、8 、9 号应变片在第 3 个应变花上；第l o 、1 1 、1 2 号应变片在第4 个应变花上。 图3 3 金属模圈测点分布图 f i g u r e3 3m e a s u r i n gp o i n t s d i s t r i b u t i o no f m e t a lr i n g 3 2 2 实验过程 分别在两套金属模圈( 以a 圈代表第l 套金属模圈，b 圈代表第2 套金属模圈) 上分析了测试；在a 圈上测试了4 次，在b 圈上测试了3 次。 3 2 3 实验所需仪器及其设置 ( 1 ) 所需仪器及其设置 d h - 3 8 1 8 静态应变测试仪、电桥、应变花、电源和计算机。 有关旋钮的初始位置：桥压电源打到2 v 档，差动放大器增益打到最大。 ( 2 ) 实验内容及其步骤 a 将应变花按照规程贴到金属模圈指定部位； b 将差动放大器调零； c 根据图3 1 ，把应变花相应引线接到电桥上； d 开始测量，并记录测量结果。 3 3 测试结果 3 3 1 应变测试结果 a 圈、b 圈如表3 1 、3 2 所示，其中a 圈测试了4 次，b 圈测试了3 次。 - 1 9 表3 1a 圈应变测试结果 t a b3 1r c s u l t so fs t r a i nm e a s u r e m e n tf o rar i n g 一一