專利名稱：熱加工工藝過程的光彈(塑)性模擬方法
本方法用于研究金屬工件的淬火過程熱應(yīng)力，焊接過程熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，研究金屬氮化所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及研究鍛件的變形規(guī)律。
目前國外已有人研究塑料淬火過程的熱應(yīng)力，但尚沒有用塑料淬火模擬金屬淬火過程。只有人用光彈方法研究焊縫尺寸形狀對工作應(yīng)力的影響，沒有人用光彈塑料焊接的熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力去模擬金屬構(gòu)件焊接過程的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。有人利用光彈塑料的時間邊緣效應(yīng)去研究自身的應(yīng)力狀態(tài)，但無人用來模擬金屬工件氮化所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。光塑性在鍛壓中早有應(yīng)用，但是，原有的光塑性技術(shù)未解決復(fù)雜形狀鍛件的三維應(yīng)變分解的困難。就整個加工工藝而言，其工藝過程中的力學(xué)參量的實測是困難的。
本發(fā)明的目的在于克服或補充現(xiàn)有模擬技術(shù)不足，為研究加工工藝過程提出了一種模擬包括淬火，氮化、焊接、鍛壓在內(nèi)的光彈塑性模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
找出和確定了光彈塑料與金屬材料熱處理，焊接過程的相似性，建立了光彈模型與金屬實物之間的相似關(guān)系，提出了光塑性一般三維應(yīng)變分解公式，最后根據(jù)光彈模型與金屬實物之間的相似關(guān)系，將光彈模型的應(yīng)力或應(yīng)變換算到金屬實物上，針對各過程，其方法及具體工藝為1.利用熱負荷模擬法，用光敏塑料的淬火熱應(yīng)力模擬金屬工件淬火過程的熱應(yīng)力。工藝為(1)確定金屬材料和光彈材料的熱學(xué)、力學(xué)及光性能參數(shù)，確定對流換熱系數(shù);(2)根據(jù)金屬工件的淬火工藝確定光彈模型的淬火工藝，并確定出相似常數(shù);(3)由準則K2＝ (Kλ)/(Kh) 確定光彈模型尺寸，(4)由準則Kt＝ (K2l)/(Ka) 確定出對應(yīng)的時間，(5)對光彈模型加熱后放入介質(zhì)中淬火，測取溫度及條紋隨時間的變化，根據(jù)無量綱溫度準則Tp＝Tfp+( (T-T0)/(T0-Tf) )m(To-Tf)p確定金屬工件對應(yīng)點的溫度，根據(jù)σp＝Ka·KT·KE·σm將光彈模型換算到金屬工件上。
2.利用光彈材料的時間邊緣效應(yīng)模擬氮化殘余應(yīng)力。
3.用光敏塑料的焊接殘余應(yīng)力模擬金屬構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力，其方法與過程為(1)選擇光敏塑料，確定光彈塑料與金屬構(gòu)件之間的各相似系數(shù)Kc·Kp·KQ·Kv·Kr根據(jù)金屬的焊接熱輸入、焊接速度，確定光彈、塑料的焊接工藝，(2)計算模型尺寸，K2＝ (KQ)/(KC·KP·KV·KT) ;(3)對光彈塑料進行焊接，測取其應(yīng)力場及溫度場，(4)按σp＝Ka·KT·σm和Kt＝ (K2l)/(Ka) 和KT，將由光彈得出的結(jié)果換算到實物上。
4.光塑性三維應(yīng)變場分解方法，用下述公式對大變形模型進行三維應(yīng)變場分解，就可得到鍛件的應(yīng)變場分布，用Almansi應(yīng)變張量，E′ij表示應(yīng)變。
對模型的任一點沿三個垂直方向切片。
對X、Y切片作Z向正射，有E′x-E′y＝〔(E′1)-(E′2)′〕Cos2θxy＝ (NZ·f)/(dZ) Cos2θxyE′xy＝ (NZ·f)/(dZ) Sin2θxy(2)對YZ正射，可得，E′y-E′z＝ (NX·f)/(dX) Cos2θyzE′yz＝ (NX·f)/(dX) Sin2θxy(3)對Zx正射可得E′z-E′x＝ (Ny·f)/(dy) Cos2θzxE′zx＝ (Ny·f)/(dy) Sin2θzx可推出體積不變的表達式為E′x+E′y+E′z-2〔E′xE′y+E′y·E′z+E′zE′E′x+E′y+E′z-2[E′xE′y+E′y·E′z+E′zE′x-(E′xy1+E′yz1+E′zx1)]+4[E′x]]>E′yE′z+2E′xyE′yzE′zx-(E′xE′yz1+E′yE′xz1+E′ZE′xy1)]=0]]>這樣聯(lián)立各式就求得了全部應(yīng)變分量。
實施例(1)齒輪淬火過程的熱應(yīng)力，將模型齒輪整體或單齒加熱到所預(yù)定的溫度場，然后放到冷卻介質(zhì)中急冷，記錄條紋和溫度變化，然后根據(jù)上述提到的公式換算到金屬實物上去。
(2)薄板對接板焊接，按相似關(guān)系設(shè)計出模型尺寸，用塑焊槍和塑料焊條，進行焊接，待完全冷卻后，對塑料焊接板進行測量，并根據(jù)前述提到的二式換算到金屬實物上去。
(3)對臺階軸的楔橫軋進行了三維應(yīng)變場分解。
效果優(yōu)點本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(1)能直觀地反映金屬工件慊鴯倘扔αΦ謀浠媛?，可用绹栊究结箿夏热应力集中问题?(2)能直觀的反映焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布，成為測量焊接件殘余應(yīng)力的一種方法。
(3)能分解復(fù)雜鍛件的三維應(yīng)變場，對于研究鍛件的變形規(guī)律，提高鍛件質(zhì)量以及模具壽命有很大意義。
權(quán)利要求
1.一種光彈塑料淬火方法，現(xiàn)在只能研究塑料本身的熱應(yīng)力，本發(fā)明的特征在于用光彈塑料的淬火方法來模擬金屬的淬火過程，建立一組塑料與金屬相似準則表達式，對金屬淬火的殘余應(yīng)力進行應(yīng)力分析。相似準則表達式如下(Kh·Kl)/(Kλ) =1(K2l)/(Ka·Kt) =1Kθ=1 (θ= (T-Tf)/(T0-Tf) )
2.一種塑料的時間邊緣效應(yīng)現(xiàn)象，只能用于研究自身的應(yīng)力狀態(tài)。本發(fā)明的特征在于用塑料的時間邊緣效應(yīng)來模擬研究金屬工件氮化的殘余應(yīng)力。
3.一種光彈實驗方法，只用于研究焊縫尺寸、形狀對工作應(yīng)力的影響。本發(fā)明的特征在于提出一種光彈塑料焊接方法，建立了塑料與金屬的熱傳導(dǎo)相似準則表達式K21＝ (KQ)/(KC·KP·KV·KT) ，對金屬構(gòu)件焊接過程的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力進行分析。
4.一種光塑性方法，只用于已知主應(yīng)變方向的應(yīng)變分解。本發(fā)明的特征在于提出了大變形時的一般三維應(yīng)變場的計算公式。計算公式如下(采用Almansi應(yīng)變張量Eij表示應(yīng)變)。過一點沿三個垂直方向X，Y，Z切片，分別對三個切片(設(shè)XOY，YOZ，ZOX)正射，可得到E′x-E′y＝ (N1·f)/(d1) Cos2θXYE′xy＝ (N1·f)/(d1) Sin2θxyE′y-E′z＝ (N2·f)/(d2) Cos2θyzE′yz＝ (N2·f)/(d2) Sin2θyzE′z-E′x＝ (N3·f)/(d3) Cos2θzxE′zx＝ (N3·f)/(d3) Sin2θzx體積不變條件為E′x+E′y+E′z-2〔E′xE′y+E′yE′z+E′zE′x-E′2xy-E′2yz-E′2zx〕+4〔E′xE′yE′z+2E′xyE′yzE′zx-E′xE′2yz-E′yE′2zx-E′zE′2xy〕＝0聯(lián)立上面幾式可解得各應(yīng)變分量。
全文摘要
本發(fā)明是用光彈(塑)性技術(shù)來模擬熱加工工藝，利用光敏塑料與金屬材料熱加工過程的相似性建立光彈模型與金屬實物之間的相似關(guān)系，提出光塑性一般三維應(yīng)變計算公式，將光彈模型的應(yīng)力或應(yīng)變換算到金屬上，從而解決金屬件淬火過程的熱應(yīng)力，和金屬構(gòu)件焊接的殘余應(yīng)力及金屬鍛件應(yīng)變場的分布。
文檔編號G01L1/24GK1031278SQ8810357
公開日1989年2月22日 申請日期1988年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月9日
發(fā)明者賴曾美, 張鴻慶, 唐新成, 盧志輝 申請人:國家機械委鄭州機械研究所