关键词：残余应力场;;平衡方程;;傅里叶级数;;内部残余应力;;可转位涂层刀片
摘 要：残余应力的存在容易使工件产生受载变形、尺寸不稳定、疲劳裂纹扩展等不良现象,是造成机械使用过程中意外破坏事故的主要原因之一。残余应力产生原因通常比较复杂,各种制造工艺和再制造工艺均会使机械零件内产生不同大小的残余应力。目前根据残余应力进行零部件设计与制造的理念逐渐受到企业重视。准确地表征残余应力场,对提高零件的稳定性和可靠性及其回收再利用,以及提高整机精度稳定性均具有重要的应用价值。本文针对残余应力场难以被简便、准确测量或仿真获得的技术难题,旨在探索并提出一种无需了解机械制造工艺过程细节,仅通过机械零件表面局部残余应力进行无损检测,预测零件表面和内部残余应力场的方法。采用研究对象由小表面到大表面、然后从表面到内部的研究策略,研究了基于表面测试应力的机械零件残余应力场的预测方法。论文主要研究工作有:第一,根据物体满足应力边界条件和平衡理论,对小表面残余应力场可预测性进行了分析,并鉴于表面离散点残余应力可以通过实验测试获得,结合回归分析,提出了基于有限测试点和边界点的小平面残余应力场预测方法,利用两个实验算例证实了该方法的有效性。第二,为避免大表面测试点选择的盲目性,通过引入双元傅里叶级数作为艾瑞应力函数,推出了表平面应力场求解模型,提出了基于双元傅里叶级数的表平面残余应力场的预测方法,并对方法的关键技术进行了描述,利用数值算例和实验例子对方法的有效性进行了验证。第三,鉴于表面离散点残余应力可测性、表面残余应力场可预测性以及残余应力自平衡特性,提出了基于表面残余应力的内部残余应力场预测方法,对方法原理及关键技术进行了阐述,并通过两个例子校验了方法的有效性,同时对建模精度影响因素进行了分析。最后,设计与开发了集成上述三种预测方法的机械零件残余应力场预测系统,并将系统在可转位涂层刀片进行了应用,验证了系统的可行性,为涂层刀片初始应力场的获得,引入了新的思路。本文所提出的残余应力场获知方法,突破了残余应力场无法获得的技术难题,仅需要利用表面离散点应力根据提出的模型求解得到残余应力场。方法对残余应力成因复杂且不易详知的零件,具有应用优势。利用该方法获得初始残余应力场,将有助于在大件残余应力的释放规律、零件的结构设计和制造工艺优化、零件质量评估和使用、以及整机性能的影响等方面开展更深入的探索研究;对消除或减小残余应力对零部件的不良影响、加快我国制造业和再制造业技术发展、实现机械零件实施绿色再制造意义重大。
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