物理模拟在塑性加工中的应用演讲版

1、安徽工业大学安徽工业大学院院 系：冶金工程学院系：冶金工程学院任课教师：章小峰任课教师：章小峰演演 讲讲 人：李振华人：李振华E-mail：圆筒件扩径后残余应力的量纲分析法研究圆筒件扩径后残余应力的量纲分析法研究Dimensional Analysis of Residual Stresses in Cylindrical Shells安徽工业大学安徽工业大学 一、研究背景一、研究背景（1）模具结构为分瓣的扇形结构, 在扩径时相邻两瓣模具将随着扩径变形程度的增加而逐渐分离, 总过程分为整圆、扩径和回弹三部分。 （2）液压扩径, 基本原理是以管材作为坯料, 通过管材内部施加超高压和轴向加力补料把

2、管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。 圆筒形零件是机械产品中重要的零部件，具有质量轻、刚性好、耐用等优点。在圆筒形零件的加工成形过程中，扩径加工是其主要的工序之一，扩径过程的质量直接影响到零件产品的整体质量。目前，筒形零件的扩径方法主要有:安徽工业大学安徽工业大学 二、模型分析二、模型分析abP 扩径加工过程, 相当于圆筒形零件内壁受压力作用，当外载荷应力超过材料的屈服极限应力时, 零件即发生径向的塑性变形，其基本原理如下图所示，某圆筒，外半径为 b， 内半径为 a，受均匀内压 P作用。 当内压较小, 所产生的应力低于材料的屈服极限应力时，圆筒壁处于弹性状态，当P逐渐增加至某一特定值时，筒的

3、内缘开始屈服，即达到弹性极限状态，内压P继续增加，塑性区从内缘逐渐扩展，圆筒内壁开始出现塑性区和弹性区两部分。最后圆筒壁完全进入塑性区。安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析相似准数：无量纲综合数群反映了物理相似的数量特征，成为相似准数。量纲分析法：根据对现象的分析，能知道决定该现象的主要物理量，则可用量纲分析法导出相似准数。量纲分析法的根据是定理。（相似第二定理）研究物体受力运动 ，影响该现象的物理量为力F、质量m、速度v、时间t，即 。0)(tvmFf、假设我们还不知道这些量之间的函数关系，因此要进行研究。我们知道这些量是表征这一现象的，他们之间必然受到一定的自然规律约束，能写成

4、一定的方程式。安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析根据相似第二定理，这一现象可以用以上各量组成的无量纲数群（相似准数） 之间的函数关系式来表示，即 。n21、0(n21），F由于这些无量纲数群是由上述量是由F、m、v、t组成，故可写成：datvmFba若以 为基本量纲，则其量纲关系式为 TLM、 dcbaTLTMMLT12-因为的量纲为零，故0200dcacaba对于M对于L对于T安徽工业大学安徽工业大学使用情况要求提供扩径后圆筒件内部沿长度方向、切向和径向的残余应力值。理论计算公式在推导时不得不进行的简化使计算结果往往不符合实际。因此用量纲分析方法导出了相似准数。（1）一方面可以

5、用模型实验测出残余应力（2）同时也可以得出计算残余应力的计算公式。四个未知数、三个方程式，可令其中一个未知数为某值，以求解：得则如令1, 1, 1b, 1adc三、量纲分析三、量纲分析NevmtFtvmF.11安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析为了进行量纲分析，首先要分析对这一问题发生影响的重要物理量，它们是：（1）横截面上的长度方向、切向和径向的残余应力；（2）工件材料的屈服极限0；（3）工件的变形抗力 ；fk（4）工件材料的切变模量 ； （5）泊松比；（6）工件壁厚 ；（7）径向坐标 ； （8）过盈量 ；SUG0S安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析在这些量之间存

6、在如下关系：0),(00SUSGkff或者0(21），F经过量纲分析得出原始准数：060504030201k，GSUSSf安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析通过实验看出，G和对塑性扩径情况下的残余应力影响不大，可以忽略，因此上式可写成因为残余应力一般用断面表示，因此把准数 用断面位置 代替，得出 0/SS0/ qq0),k(00000GSUqqFf)(000SUqqf，安徽工业大学安徽工业大学三、量纲分析三、量纲分析由实验数据进一步得出，当发生完全塑性变形时（即 时），沿长度方向上的残余应力 可按下式计算：10SULBSUqqAL）（01(0e1ln3式中abaAlnb222b4abBa为圆筒件内径；b为圆筒件外径。安徽工业大学安徽工业大学四、图像模拟四、图像模拟根据上式计算结果与实测结果的比较列于下图长度方向的残余应力计算值与测量值比较材料：钢；外径，48mm;内径；20mm.安徽工业大学安徽工业大学五、结论五、结论1、通过对圆筒件扩径后残余应