裂纹尖端激光修复试件疲劳性能研究
发布时间：2021-08-03 14:04
在目前的工业生产过程中,疲劳是机械零部件失效破坏的最主要形式。尤其是当零部件在生产、运输和使用的过程中产生初始裂纹,更容易引发疲劳破坏,造成重大经济损失。在此背景下,寻找能够及时快速有效的裂纹修复方式显得格外重要。激光修复技术以其独特的快速加热、冷却,热影响区小的优点进入人们的视线,提供一种新型裂纹修复工艺。在本文中,采用304不锈钢制成含预制裂纹紧凑拉伸（CT）试样,在裂纹尖端添加不同粉末并通过激光进行熔融修复,研究试件修复后的疲劳性能。首先,采用有限元软件ABAQUS分别对原试件和未添加粉末激光修复试件模型进行分析,得到残余应力强度因子、有效应力比等参数,采用修正后的Paris公式评价未添加粉末激光修复工艺对试件疲劳性能的改变情况。同时建立裂纹尖端添加304不锈钢粉末激光修复模型,与未添加粉末工况下的数值分析结果进行对比,探究添加粉末对修复效果的影响。然后,在试件裂纹尖端分别添加304不锈钢粉末和5%纳米WC与304不锈钢复合粉末,用CO2激光器对试件熔融修复,将这两组试件和未添加粉末激光修复试件、原试件一起开展疲劳裂纹扩展实验,比较各组试件的疲劳寿命。应用扫...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 常用裂纹修复工艺研究现状
1.2.2 激光修复技术研究现状
1.2.3 疲劳研究现状
1.3 本文研究内容
2 疲劳断裂及金属凝固基础理论
2.1 常见裂纹形式
2.2 疲劳破坏过程
2.2.1 疲劳裂纹的萌生
2.2.2 疲劳裂纹的扩展
2.3 疲劳裂纹扩展速度
2.4 激光修复组织凝固理论
2.5 本章小结
3 未添加粉末激光修复数值分析
3.1 数值模拟的意义
3.2 选取评价参数
3.3 激光热源模型
3.3.1 选择激光热源模型的意义
3.3.2 确定合适的热源模型
3.4 有限元模型的建立
3.4.1 建立有限元模型前提
3.4.2 三维模型及网格划分
3.4.3 赋予材料属性
3.4.4 设置分析步
3.4.5 设置边界条件
3.4.6 工艺参数选择
3.4.7 热源模型准确性验证
3.5 模拟结果与分析
3.5.1 原试件应力强度因子幅值
3.5.2 激光修复试件残余应力场模拟结果
3.5.3 激光修复试件不同裂纹长度下塑性区分布
3.5.4 激光修复试件不同裂纹长度下残余应力强度因子
3.5.5 激光修复试件不同裂纹长度下有效应力比
3.5.6 基于疲劳裂纹扩展实验验证有限元方法的正确性
3.6 本章总结
4 添加304 不锈钢粉末激光修复数值分析
4.1 有限元模型的建立
4.1.1 三维模型及网格划分
4.1.2 设置材料参数
4.1.3 设置分析步及边界条件
4.1.4 选择工艺参数
4.2 模拟结果与分析
4.2.1 修复区温度场分布及其对凝固特征的影响
4.2.2 熔体存在时间对比
4.2.3 残余应力对比
4.2.4 残余应力强度因子对比
4.3 本章总结
5 激光修复后疲劳性能实验研究
5.1 实验材料
5.1.1 基体材料
5.1.2 粉末材料
5.2 实验方法和设备
5.2.1 激光修复实验
5.2.2 疲劳裂纹扩展实验
5.2.3 微观组织观测和断口分析实验
5.3 实验结果及分析
5.3.1 疲劳裂纹扩展实验结果
5.3.2 微观组织分析结果
5.3.3 断口分析结果
5.4 本章结论
6 裂纹尖端激光修复分析平台的建立
6.1 ABAQUS二次开发及Python语言
6.2 确定集成方式
6.3 裂纹尖端激光修复分析平台开发流程
6.3.1 图形用户界面设计
6.3.2 代码实现
6.3.3 实现插件注册
6.4 分析平台的测试验证
6.5 分析平台运行结果
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]工程机械结构损伤的再制造胶粘修复技术[J]. 刘宁,殷晨波,王子朋,徐欢. 机械制造与自动化. 2018(06)
[2]激光沉积修复TA15钛合金微观组织及力学性能[J]. 邢如飞,许星元,黄双君,王磊,周松,许良. 材料工程. 2018(12)
[3]搅拌摩擦修复6061-T4铝合金裂纹的组织和性能[J]. 亓海全,秦翔智,孙延焕,吕远,吴顺意,阮仁成. 有色金属科学与工程. 2019(01)
[4]桥式起重机主梁裂纹修复方法研究[J]. 饶尧. 特种设备安全技术. 2018(06)
[5]基于5A90板材的电致裂纹修复模拟研究[J]. 赖小明,王国峰,张玉良,王博,顾义斌,易卓勋,王少华. 精密成形工程. 2018(06)
[6]激光熔覆技术在海洋自升式钻井平台升降齿轮修复中的应用实例[J]. 董凯. 中国石油和化工标准与质量. 2018(20)
[7]GT13E2燃气轮机燃烧室外缸裂纹修复[J]. 李磊,胡启迪,汤卸明,傅彪. 燃气轮机技术. 2018(03)
[8]基于二次开发的ABAQUS的防喷器旁通启闭短节密封性能研究[J]. 陈浩,尹钢,马慧珍,付来强,吴文科,陈靖文. 润滑与密封. 2018(09)
[9]弯曲载荷下曲轴疲劳裂纹扩展数值模拟与分析[J]. 常志刚. 工程与试验. 2018(03)
[10]基于Python的ABAQUS二次开发在骨钻削仿真中的应用[J]. 陈春城,胡亚辉,郑清春,张善青. 现代制造工程. 2018(06)
博士论文
[1]TA1钛合金压印接头疲劳失效机理研究[D]. 张越.昆明理工大学 2018
[2]激光温喷丸强化航空轻质合金的振动模态及疲劳延寿机理[D]. 孟宪凯.江苏大学 2017
[3]不同应力比下的疲劳裂纹扩展可靠性研究[D]. 王坤茜.昆明理工大学 2012
[4]激光熔覆强化和修复薄壁型零部件关键技术基础研究[D]. 熊征.华中科技大学 2009
[5]42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为及疲劳寿命预测的研究[D]. 王潍.山东大学 2008
硕士论文
[1]激光参数对止裂效果的影响研究[D]. 房广雷.大连理工大学 2018
[2]基于ABAQUS二次开发的框架结构设计平台研究[D]. 马川.西安建筑科技大学 2018
[3]发动机连杆的疲劳分析[D]. 张文强.兰州理工大学 2017
[4]Mg-Y-Ce-Zr镁合金的组织和力学性能[D]. 雷宁宁.西安建筑科技大学 2017
[5]激光沉积修复TA15钛合金疲劳性能研究[D]. 马闯.沈阳航空航天大学 2016
[6]疲劳荷载作用下钢桥疲劳寿命与延寿方法研究[D]. 艾丽.武汉科技大学 2015
[7]A304不锈钢激光焊接熔池温度场和流场数值模拟研究[D]. 周世杰.天津理工大学 2015
[8]选择性激光烧结Inconel625金属粉末的数值模拟[D]. 史向东.东北大学 2013
[9]SUS430铁素体不锈钢激光焊接热应力场数值模拟研究[D]. 蒋秀晔.天津大学 2012
[10]304不锈钢复合板补焊残余应力有限元分析[D]. 张文.中国石油大学 2011
本文编号：3319751
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
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摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 常用裂纹修复工艺研究现状
1.2.2 激光修复技术研究现状
1.2.3 疲劳研究现状
1.3 本文研究内容
2 疲劳断裂及金属凝固基础理论
2.1 常见裂纹形式
2.2 疲劳破坏过程
2.2.1 疲劳裂纹的萌生
2.2.2 疲劳裂纹的扩展
2.3 疲劳裂纹扩展速度
2.4 激光修复组织凝固理论
2.5 本章小结
3 未添加粉末激光修复数值分析
3.1 数值模拟的意义
3.2 选取评价参数
3.3 激光热源模型
3.3.1 选择激光热源模型的意义
3.3.2 确定合适的热源模型
3.4 有限元模型的建立
3.4.1 建立有限元模型前提
3.4.2 三维模型及网格划分
3.4.3 赋予材料属性
3.4.4 设置分析步
3.4.5 设置边界条件
3.4.6 工艺参数选择
3.4.7 热源模型准确性验证
3.5 模拟结果与分析
3.5.1 原试件应力强度因子幅值
3.5.2 激光修复试件残余应力场模拟结果
3.5.3 激光修复试件不同裂纹长度下塑性区分布
3.5.4 激光修复试件不同裂纹长度下残余应力强度因子
3.5.5 激光修复试件不同裂纹长度下有效应力比
3.5.6 基于疲劳裂纹扩展实验验证有限元方法的正确性
3.6 本章总结
4 添加304 不锈钢粉末激光修复数值分析
4.1 有限元模型的建立
4.1.1 三维模型及网格划分
4.1.2 设置材料参数
4.1.3 设置分析步及边界条件
4.1.4 选择工艺参数
4.2 模拟结果与分析
4.2.1 修复区温度场分布及其对凝固特征的影响
4.2.2 熔体存在时间对比
4.2.3 残余应力对比
4.2.4 残余应力强度因子对比
4.3 本章总结
5 激光修复后疲劳性能实验研究
5.1 实验材料
5.1.1 基体材料
5.1.2 粉末材料
5.2 实验方法和设备
5.2.1 激光修复实验
5.2.2 疲劳裂纹扩展实验
5.2.3 微观组织观测和断口分析实验
5.3 实验结果及分析
5.3.1 疲劳裂纹扩展实验结果
5.3.2 微观组织分析结果
5.3.3 断口分析结果
5.4 本章结论
6 裂纹尖端激光修复分析平台的建立
6.1 ABAQUS二次开发及Python语言
6.2 确定集成方式
6.3 裂纹尖端激光修复分析平台开发流程
6.3.1 图形用户界面设计
6.3.2 代码实现
6.3.3 实现插件注册
6.4 分析平台的测试验证
6.5 分析平台运行结果
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]工程机械结构损伤的再制造胶粘修复技术[J]. 刘宁,殷晨波,王子朋,徐欢. 机械制造与自动化. 2018(06)
[2]激光沉积修复TA15钛合金微观组织及力学性能[J]. 邢如飞,许星元,黄双君,王磊,周松,许良. 材料工程. 2018(12)
[3]搅拌摩擦修复6061-T4铝合金裂纹的组织和性能[J]. 亓海全,秦翔智,孙延焕,吕远,吴顺意,阮仁成. 有色金属科学与工程. 2019(01)
[4]桥式起重机主梁裂纹修复方法研究[J]. 饶尧. 特种设备安全技术. 2018(06)
[5]基于5A90板材的电致裂纹修复模拟研究[J]. 赖小明,王国峰,张玉良,王博,顾义斌,易卓勋,王少华. 精密成形工程. 2018(06)
[6]激光熔覆技术在海洋自升式钻井平台升降齿轮修复中的应用实例[J]. 董凯. 中国石油和化工标准与质量. 2018(20)
[7]GT13E2燃气轮机燃烧室外缸裂纹修复[J]. 李磊,胡启迪,汤卸明,傅彪. 燃气轮机技术. 2018(03)
[8]基于二次开发的ABAQUS的防喷器旁通启闭短节密封性能研究[J]. 陈浩,尹钢,马慧珍,付来强,吴文科,陈靖文. 润滑与密封. 2018(09)
[9]弯曲载荷下曲轴疲劳裂纹扩展数值模拟与分析[J]. 常志刚. 工程与试验. 2018(03)
[10]基于Python的ABAQUS二次开发在骨钻削仿真中的应用[J]. 陈春城,胡亚辉,郑清春,张善青. 现代制造工程. 2018(06)
博士论文
[1]TA1钛合金压印接头疲劳失效机理研究[D]. 张越.昆明理工大学 2018
[2]激光温喷丸强化航空轻质合金的振动模态及疲劳延寿机理[D]. 孟宪凯.江苏大学 2017
[3]不同应力比下的疲劳裂纹扩展可靠性研究[D]. 王坤茜.昆明理工大学 2012
[4]激光熔覆强化和修复薄壁型零部件关键技术基础研究[D]. 熊征.华中科技大学 2009
[5]42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为及疲劳寿命预测的研究[D]. 王潍.山东大学 2008
硕士论文
[1]激光参数对止裂效果的影响研究[D]. 房广雷.大连理工大学 2018
[2]基于ABAQUS二次开发的框架结构设计平台研究[D]. 马川.西安建筑科技大学 2018
[3]发动机连杆的疲劳分析[D]. 张文强.兰州理工大学 2017
[4]Mg-Y-Ce-Zr镁合金的组织和力学性能[D]. 雷宁宁.西安建筑科技大学 2017
[5]激光沉积修复TA15钛合金疲劳性能研究[D]. 马闯.沈阳航空航天大学 2016
[6]疲劳荷载作用下钢桥疲劳寿命与延寿方法研究[D]. 艾丽.武汉科技大学 2015
[7]A304不锈钢激光焊接熔池温度场和流场数值模拟研究[D]. 周世杰.天津理工大学 2015
[8]选择性激光烧结Inconel625金属粉末的数值模拟[D]. 史向东.东北大学 2013
[9]SUS430铁素体不锈钢激光焊接热应力场数值模拟研究[D]. 蒋秀晔.天津大学 2012
[10]304不锈钢复合板补焊残余应力有限元分析[D]. 张文.中国石油大学 2011
本文编号：3319751
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