中厚板热应力—外力耦合成形机理及实验研究

发布时间：2017-09-09 07:16

  本文关键词：中厚板热应力—外力耦合成形机理及实验研究

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【摘要】：船舶中厚板的曲面成形是船舶制造业的重要过程之一,目前,传统的水火弯板成形工艺还存在加热效率低下、成形精度主要依靠工人经验完成等弊端。新的高频感应加热热源以其加热效率高、热量容易准确控制等特点将在未来逐渐替代水火弯板工艺,从而能够提高船舶板材成形质量,降低操作难度和劳动强度。为了更容易地实现板材大变形,借助外载荷和热应力耦合成形是可能的。该工艺是一项涉及理论、实验研究为一体的综合性复杂工作。本文从理论与实验两个部分展开研究工作。理论方面:主要探究板材热应力-外力耦合成形机理问题。实验研究了12mm厚Q345钢在温度和外力耦合作用下的弯曲变形,及不同冷却条件下板材成形后的材料力学性能。理论上借助板材焊接过程中的固有应变理论,推导得到了船用中厚板成形的机理及弯曲变形过程中的应变、应力和热应力产生的弯矩。分析了外载荷和热应力耦合成形过程中的力学问题,基于Duhamel比拟建立了外载荷和热应力耦合作用下带有温度与外载荷的本构关系,结合能量守恒原理,得到了板材达到确定变形所需的等效外力做功的数学表达式,在此基础上利用ANSYS模拟研究了外载荷和热应力耦合作用下板材变形规律。通过实验数据的分析与处理,得到了热应力与外载荷耦合作用下的弯曲角度和曲率半径的变形规律,利用MATLAB曲面建模方法得到了温度,外力和变形量之间的数学模型,最后,研究了不同冷却条件下板材成形后的材料力学性能。实验表明:成形后的板材背面的硬度和拉伸强度都有明显提高,出现“反向强化”现象观察了板材弯曲成形后的组织变化,解释了上述现象成因。这种“反向强化”现象对船舶板材的加工制造及使用是极为有利的。本文主要的工作是借助固有应变法分析得到了温度载荷下的应力、应变和热应力产生的弯矩;通过Duhamel比拟研究了外载荷与热应力耦合成形的机理,并推导了热应力-外力耦合作用下的非线性本构关系。试验环节利用温度载荷与外载荷耦合作用下得到的实验数据分析了弯矩、温度对板材变形的影响规律,并建立了三者间的数学模型。最后借助材料试验方法研究了板材冷却后力学性能,探究热加工后板材本身性能的变化。以上工作为解决金属板材大变形耦合成形机理问题提供了一种方法,为实现船用板材的自动化、精确化大变形加工奠定基础。
【关键词】：中厚板 高频感应 热应力-外力耦合 反向强化
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U671.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 研究背景9-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 热弹塑性理论研究现状13-14
• 1.2.2 板材热应力成形技术研究现状14-18
• 1.3 本文主要研究工作18-20
• 1.3.1 研究内容18-19
• 1.3.2 研究方法19-20
• 第二章 高频感应加热原理及热应力-外力耦合有限元分析20-28
• 2.1 电磁感应加热原理20-23
• 2.1.1 焦耳热效应20-21
• 2.1.2 磁滞损耗效应21-22
• 2.1.3 涡流分布与集肤效应22-23
• 2.2 有限元分析基本理论23-27
• 2.2.1 电磁场基本理论23-25
• 2.2.2 热分析基本理论25-27
• 2.2.3 耦合场分析基本理论27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 板材磁热应力-外力耦合成形机理研究28-47
• 3.1 基于固有应变法的板材热应力成形机理28-34
• 3.1.1 固有应变理论28
• 3.1.2 中厚板热应力成形过程分析28-33
• 3.1.3 变形与固有应变之间关系33-34
• 3.2 热应力-外力耦合作用下板材成形机理研究34-40
• 3.2.1 热应力-外力耦合的比拟34-38
• 3.2.2 热应力-外力耦合的热弹塑性能量等效38-40
• 3.3 板材热应力-外力耦合变形有限元分析计算40-45
• 3.3.1 三维模型建立40
• 3.3.2 网格划分40-41
• 3.3.3 耦合分析计算41-42
• 3.3.4 结果分析42-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 中厚板热应力-外力耦合成形实验研究47-66
• 4.1 实验设备及参数47-48
• 4.1.1 高频加热设备及参数47
• 4.1.2 加载设备及参数47-48
• 4.2 实验方案48-53
• 4.2.1 温度与加热功率、加热时间关系实验方案48-49
• 4.2.2 外载荷加载方案49-51
• 4.2.3 实验过程51-53
• 4.3 实验结果分析53-65
• 4.3.1 温度与加热功率、加热时间关系53-55
• 4.3.2 曲率半径与加载弯矩、加热温度关系55-58
• 4.3.3 弯曲角度与加载弯矩、加热温度关系58-59
• 4.3.4 加载弯矩、加热温度与变形量之间数学模型59-62
• 4.3.5 位移计算模型62-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 冷却条件对板材高频感应加热成形力学性能影响66-74
• 5.1 实验方案66-68
• 5.1.1 实验材料及设备参数66
• 5.1.2 冷却方案66-67
• 5.1.3 试样制取67-68
• 5.2 实验结果分析68-73
• 5.2.1 表面硬度结果分析68-69
• 5.2.2 拉伸强度结果分析69-71
• 5.2.3 金相组织变化分析71-73
• 5.3 本章小结73-74
• 第六章 结论与展望74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-81
• 攻读硕士学位期间发表的论著及取得的科研成果81

【参考文献】

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本文编号：819046