电火花线切割连杆裂纹扩展的多尺度仿真研究

发布时间：2017-08-01 00:23

  本文关键词：电火花线切割连杆裂纹扩展的多尺度仿真研究

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【摘要】：连杆裂解技术在国内的研究起步较晚,存在不少技术难题,在实际生产中存在多种裂断缺陷,各种因素对裂断质量的影响机理虽已有论述,但裂解参量并不能精确确定,尤其对微观因素的研究,至今尚未见到任何阐述。这是因为,连杆裂解过程发生在一瞬间,用时极短,在实际加工过程中进行各种分析存在很大的技术障碍,尤其对微观因素的分析,实验方法还不能实现,只能借助于模拟仿真技术。本文利用多尺度仿真方法对连杆裂纹扩展过程进行了仿真研究,包括宏观尺度的有限元数值分析法和微观尺度的分子动力学法。有限元分析主要研究的是裂纹槽深度与裂解力的关系。首先利用基础理论推导出了连杆裂纹槽深与裂解力的关系表达式。其次是数值仿真分析,仿真结果显示出不同槽深与裂解力的关系基本上符合理论分析,满足关系表达式。最后是实验验证,误差较小验证了仿真结果可信度极高。该模拟方法的使用,能够有效的为给拉杆施加拉力的液压系统的设计提供理论依据。在分子动力学模拟中,本文借助LAMMPS软件建立了裂纹的原子模型。在前期的材料分析实验中,观察到了连杆材料内部存在着微裂纹与孔洞等组织缺陷。因此,在建立的分子动力学模型中,不仅模拟研究了不同裂纹长度、不同加载速度和不同模型体量对裂纹扩展行为的影响,还模拟分析了孔洞大小及其在不同位置给裂纹扩展带来的影响。在所有的模型中,采用的都是速度加载模式进行裂纹扩展行为的研究,依据系统总能量演化图对结果进行了详细分析。由分析模拟结果可知：(1)裂纹的初始长度越大越有利于裂纹扩展,在等体系下,模型裂开所用时间越短；(2)在一定范围内,加载速度越大,裂纹扩展的速度越快,但裂开后的表面复杂度越大；(3)模型越小,裂纹扩展速度越快,但容易丢失裂纹扩展的细节,不能显示出裂纹的复杂性,模型越大,裂纹扩展越复杂,时间消耗越多；(4)孔洞的大小及位置对裂纹扩展均有影响,当孔洞较大,且处于裂纹扩展的方向上时,对裂纹扩展能够起到促进作用,孔洞的存在,能够引起裂纹扩展方向发生较明显的改变。在分子动力学模拟分析中,能够观察到所建的Fe-C模型在裂纹扩展过程中存在明显的塑性变形。
【关键词】：连杆裂纹 多尺度仿真 有限元分析 分子动力学 裂纹扩展
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U466;TG484
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 课题的研究背景及意义14-15
• 1.2 连杆裂解加工技术简介15-17
• 1.2.1 连杆裂解加工技术原理15
• 1.2.2 初始裂纹槽加工方法15-17
• 1.3 连杆裂解过程仿真研究17-18
• 1.4 裂纹扩展的数值分析方法研究18-19
• 1.4.1 有限元法模拟裂纹扩展18
• 1.4.2 边界元法模拟裂纹扩展18-19
• 1.4.3 无网格法模拟裂纹扩展19
• 1.5 裂纹扩展的分子动力学研究19-21
• 1.6 课题来源21
• 1.7 课题研究的目的和内容21-23
• 第二章 连杆材料分析试验23-29
• 2.1 连杆材料23
• 2.2 C70S6锻钢23-25
• 2.2.1 化学成分23-24
• 2.2.2 金相组织24-25
• 2.3 微观形貌25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 连杆裂解的有限元仿真分析29-41
• 3.1 模拟软件平台29-30
• 3.2 理论基础30-34
• 3.2.1 裂纹模型30-31
• 3.2.2 J积分原理31-32
• 3.2.3 裂纹槽深与裂断力的力学关系32-34
• 3.3 数值分析模型34-37
• 3.3.1 连杆实体模型34
• 3.3.2 网格划分34-35
• 3.3.3 边界约束条件35-36
• 3.3.4 结果处理36-37
• 3.4 数值模拟结果分析37-39
• 3.5 实验验证与误差分析39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 裂纹扩展的分子动力学仿真分析41-58
• 4.1 分子动力学41-45
• 4.1.1 分子动力学理论基础41-42
• 4.1.2 初始条件的确立42-43
• 4.1.3 原子间相互作用势43-44
• 4.1.4 时间积分算法44-45
• 4.1.5 无量纲单位45
• 4.2 模拟软件平台45
• 4.3 模型建立45-51
• 4.3.1 初始模型47-48
• 4.3.2 边界条件的选取48-49
• 4.3.3 势函数的选取49-50
• 4.3.4 时间积分算法的选取50
• 4.3.5 其它条件的选取50-51
• 4.4 模拟结果与分析51-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第五章 裂纹扩展的多因素分析58-71
• 5.1 裂纹长度对裂纹扩展的影响58-60
• 5.2 加载速度对裂纹扩展的影响60-61
• 5.3 模型大小对裂纹扩展的影响61-64
• 5.4 孔洞对裂纹扩展的影响64-69
• 5.5 本章小结69-71
• 结论与展望71-73
• 参考文献73-80
• 攻读学位期间发表论文与申请专利80-82
• 致谢82

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本文编号：601781