[发明专利]一种交变载荷下基于3D本构模型摆辗效应分析方法

说明书

本发明属于机械制造技术领域，公开了一种交变载荷下基于3D本构模型摆辗效应分析方法，利用MATLAB软件对振动摆动辗压粘弹塑性本构模型进行3D体积效应和表面效应分析，通过多参数耦合模拟振动摆动辗压过程中的接触边界对三维接触问题进行描述；利用弹性力学中的广义胡克定律及塑性力学中的增量理论分别推导了粘弹性空间矩阵及粘塑性空间矩阵，并以此建立振动摆动辗压成形中的表面效应分析模型；通过提出合理的假设，对在不同振型参数下的振动摆动辗压模型进行有限元模拟分析及表面效应分析。本发明揭示了振动辗压成形机理，完善三维本构模型下材料振动辗压成形过程分析，对建立振动辗压成形设备具有重要的理论意义和实用价值。

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种交变载荷下基于3D本构模型摆辗效应分析方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

随着机械制造行业的飞速发展，振动摆动辗压精密成形技术越来越受到人们的重视。由于摆动辗压具有能耗低、成形精度高、噪声小、投资少等特点，因此受到世界各国的普遍重视并且在实际生产得到了越来越广的应用。但由于其成形运动的复杂性，人们对该技术还没有形成规律性的认识，在理论方面迄今仍是一个薄弱环节，有关的生产技术问题缺乏有效的理论指导，许多生产实际问题只能采用试验和累积经验的方法在实践中探索加以解决，这些在很大程度上限制了摆动辗压工艺的应用与发展。

振动作为自然界物质运动的一种基本形式，振动理论在机械工程及材料工程的宏观领域内得到了长足的发展。20世纪50年代，奥地利维也纳大学B.Langernecker在测试单晶体的屈服强度时发现，测试结果与载重汽车从实验室旁边经过时产生的振动影响很大。由此引发了他后来探索机械振动对金属塑性变形的影响，并随后发表了锌晶体拉伸实验中附加超声振动后金属具有较强的软化现象的分析简报。继F.Blaha和B.Langernecker的研究工作以后，美国、德国、日本和前苏联等国家相继展开了附加振动(尤其是超声振动)条件下的金属塑性成形理论与应用分析。因此，振动塑性加工工艺和技术应运而生。

作为单元技术的摆动辗压新技术和振动技术，各自均得到了不同程度的发展和应用。为了克服摆动辗压的不足，可以尝试将友邻科学和工程技术——机械振动理论及工程技术与摆动辗压工艺相结合，也就是将振动附加到摆动辗压工艺中，由此形成振动摆动辗压新技术。振动摆动辗压是在常规摆辗的基础上，将某一特定频率而且又有规律波形的摆辗力沿指定方向施加到工件—模具振动系统上。将机械振动引入金属的塑性加工，可以降低材料变形所需的外力。产生这种效果的原因有两个方面，一方面是体积效应，另一方面是表面效应。

摆动辗压技术最早起源于美国，斯里克早在1918年首先提出了摆辗技术，并且制成了以他的名字命名的Slick轧机，并于1920年获得美国专利。随后，英国的马赛提出了摆辗运动的基本构想，于1929年取得英国专利。直到1966年马赛公司才生产出一台700KN的摆辗机。波兰华沙理工大学马尔辛尼教授于1967年发明出四轨迹PXW型摆辗机并由华沙机械科学研究院设计。继波兰之后，瑞士Schmid公司80年代和日本Mori公司90年代相继生产出具有四种轨迹的摆辗机作为商品出售。

我国从1972年就开始摆动辗压研究工作。最早是上海电机锻造厂研制出单轨迹摆辗机，主要用于汽车半轴的热摆辗成形。接着武汉汽车齿轮厂试制成功第一台120KN立式摆辗试验机。近年来，江西理工大学对摆动辗压进行了初步探讨，并在常规摆动辗压技术上引入了振动，研制出了一台对摩托车节油器中的内花键套进行摆动辗压加工的纵向振动摆辗试验机，使得摆辗技术有了新的飞跃。此外，该校还在对振动摆辗机进行PLC控制方面作了深入分析并取得很大成果，这为摆动辗压技术的发展和推广提供了广阔的空间。