芯辊疲劳全寿命和裂纹扩展的数值模拟

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要环件轧制是一种优质高效的先进生产制造技术，具有生产成本和设备要求低、产品质量好、生产效率高、节能节材等优点，常用于生产轴承环、齿轮环等无缝环形零件，在许多工业领域获得广泛应用。芯辊因作为环件成形模具零件，受大的交变载荷、摩擦、挤压等共同作用，极易疲劳破坏，是中小型轴承环及其他金属环件辗扩生产工艺中最频繁、最常见的失效零件，约占全部失效的50％一90％。冷轧芯辊寿命的长短也直接关系着生产效率和成本。本文针对冷辗扩芯辊的疲劳破坏现象，分别研究了芯辊疲劳破坏基于S．N曲线和Miner线性累积准则的S．N曲线方法以及基于Paris裂纹扩展法则的线弹性断裂力学方法。这两种方法

2、能够有效地解决芯辊疲劳总寿命及其裂纹扩展的计算模拟问题。结合环件轧制工艺，对轧制过程中芯辊进行力学分析，建立了芯辊有限元模型，运用MSC．Nastran／Patran对其进行静力学分析，得到芯辊表面的应力状态和危险点。通过对圆角过渡处结构进行适当优化，改善了表面应力分布状态。在有限元分析结果的基础上，利用MSC．Fatigue对芯辊进行全寿命模拟，建立了W6M05Cr4V2钢的通用S．N曲线，比较了优化前后芯辊的寿命结果以及最小寿命位置，分析了载荷比例因子、机加工方式、表面处理方法以及材料的力学性能对芯辊疲劳寿命的影响关系。指出了模拟结果和真实状况之间的误差及其来源。基于线弹性断裂力学的基本理

3、论，探讨了芯辊疲劳裂纹扩展阶段寿命的估算方法，运用MSC．Fatigue疲劳分析软件对芯辊进行裂纹扩展分析。建立了W6M05Cr4V2钢的da／dN曲线和芯辊疲劳裂纹的标准样本图形以及柔性函数曲线，得到了裂纹扩展临界尺寸、扩展阶段的应力循环次数和扩展速率，以及裂纹长度与循环次数关系曲线。通过设定材料不同的力学性能进行裂纹扩展分析，得到了抗拉极限强度和弹性模量对裂纹扩展速率的影响关系曲线。并对实验进行了设计，给出了两种芯辊表面疲劳裂纹监测的实验方法。关键词：冷辗扩芯辊，疲劳分析，有限元模拟，MSC．Nastran／Patran，MSC．Fatigue武汉理工大学硕士学位论文AbstractRin

4、grollingisolleoftheadvancedandhighlyefficientmanufacturingtechnologieswhichhavemanycharacteristicssuchaslowcost,savingformingforce，highqualityofproduct．improvingproductivity,andincreasingutilizationratioofenergyandmaterial．Generallyitisusedtoproduceseamlessring，forexamplebearingring,gearringandSOon．

5、ThetechnologyofRingRollingisemployedbroadlyinmanyindustrialdomains．AsamouldofRingrolling,coldring-rollingmandrelwhichsubjectedtoalternatingload，frictionandpressingispronetofatiguefailure；itisalsooneofthemostfrequentandcommonestinactivationpartsinmonotypebearingringandotherRingrollingprocess．Itsoccup

6、ationrationisabout50％-90％inallinactivationstyles．Theservicelifeofcoldring-rollingmandrelhasadirectinfluenceontheefficiencyandthecostofproducts．Ontheviewoffatiguefailurephcnomenonofthecoldring—rollingmandrel，S—NcurveapproachwhichisbasedonS—NCurvesandMinerlineraccumulationdandificationlawandlinerelast

7、icfracturemechanicsmethodwhichiSbasedonPariscrackgrowthlawarestudiedinthepaperseparatelytosolveeffectivelytheproblemofcomputernumericalsimulationofcoldring·rollingmandreloffatiguetotallifeandcrackgrow