盲孔法中释放系数的数值计算方法(2)

034机 械 强 度2008年

放系数的测定实验,本文提出一种考虑钻孔后在孔边附近产生的加工硬化、应用有限元法确定释放系数的数值计算方法。

系数A和B,为监控实验加载,在试样的两侧粘贴2个单向应变计(应变计3、4)。残余应变计的敏感栅尺寸为1mm@1mm。用钻孔前由2个残余应变计测得的应变值可得到材料的弹性模量E和泊松比M。钻孔时先用Á1的钻头快速钻孔,再用Á1.5的钻头慢速扩孔,钻孔深度h=2mm。弹性常数和释放系数的实验测定结果如表1所示。

表1 弹性常数E、M和释放系数A、B的实验测定值Tab.1 ExperimentalvaluesofelasticconstantsE、M

andreleasecoefficientsA、B

测定点Measuredpoint

1

EPGPa210213212

M0.2750.2800.278

A@106PMPa-1-0.3649-0.3937-0.3793

B@106PMPa-1-0.8353-0.8257-0.8305

2 盲孔法的基本原理

若构件中一点O的主残余应力分别为R1和R2,在O点粘贴一残余应变计,如图1所示,当在O点钻一直径为d的盲孔后,由敏感栅R1、R2和R3所测得的释放应变分别为E1、E2和E3,则O点的主残余应力及其方向分别为

R1

E1+E3=4AºR2

1

4B

(E1-E3)+(E1+E3-2E2)

(1)(2)

2平均值Averagevalue

E1+E3-2E2

tan(2H)=1-E3

式中,A和B称为释放系数,由实验测定。

释放系数A、B通常在均匀单向拉伸应力场R1=R、R2=0中测定,在此情况下释放系数A、B分别为E1+E3E1-E

3

B=(3)2R2R

式中,E1和E3分别为沿R1

方向和垂直于R1方向的线

A=

应变。

4 释放系数的数值计算

4.1 计算模型及其网格划分

为了模拟上述释放系数的测定实验,取有限元分

析模型如图3所示,在模型的中间有一盲孔,孔的直径d=1.5m,孔深h=2mm,应用ANSYS有限元软件进行三维数值模拟。由于对称性,取1P4进行计算,有限元网格划分如图4所示。为了模拟真实情况,在粘贴应变计的位置处,按照敏感栅的形状和大小划分网格(图4b中的A、B矩形区域),矩形区域尺寸为1mm@1mm,其靠近孔口一侧到孔中心的距离为1.6mm。由于钻孔后在孔边附近会产生加工硬化,在钢材上钻孔及扩孔时的平均加工硬化深度为0.18mm~0.2mm,为此,在盲孔边缘取0.2mm厚作为加工硬化层,划分环形单元(图4b中的C区域)。

[10]139

图1 残余应变计的布置

Fig.1 Arrangementofresidualstraingauge

3 释放系数的实验测定结果

用304不锈钢板加工成图2所示的试样,在试样的中间粘贴2个残余应变计(应变计1、2),用于测定释放

图3 有限元分析模型Fig.3 Finiteelementanalysismodel

4.2 释放系数随硬化程度的变化情况

[11]

研究表明,硬度H与弹性模量E有如下关系

H=KE

2

(4)

式中,K为常数。

根据式(4),加工硬化程度N(即加工后的表面显

图2 测定释放系数的试样

Fig. formeasuringrelease微硬度与原始显微硬度之比@100%)

[10]139

和弹性模量

增大程度M(即加工后的表面弹性模量与原始弹性模