CN110287622A - 一种加工表面广义微观应力集中现象的建模及分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加工表面广义微观应力集中现象的建模及分析方法；建模方法包括：S1获取待加工试件的基体材料组织的真实应力应变曲线；S2获取加工试件的加工表面微观形貌曲线；S3对加工试件的塑性变形层进行处理得到多个子塑性变形层；S4根据待加工试件的真实应力应变曲线和多个子塑性变形层获取每一子塑性变形层的应力应变曲线；S5利用加工试件的加工表面微观形貌曲线、基体材料组织的属性信息和每一子塑性变形层的应力应变曲线及其对应的厚度，构建用于对加工试件表面进行分析的二维分层有限元分析模型；本方法将表面微观几何形貌和表面塑性强化形成的应力集中进行综合，对研究加工表面完整性影响试件疲劳性能的机理更具有指导意义。

Description

一种加工表面广义微观应力集中现象的建模及分析方法
技术领域
本发明属于机械加工表面完整性领域，尤其涉及一种加工表面广义微观应力集中现象的建模及分析方法。
背景技术
在给定材料的情况下，机械加工表面完整性对试件的疲劳性能具有较大的影响。其中，机械加工表面微观形貌通过改变表面微观应力集中系数来影响试件的疲劳性能，这种现象称为表面几何微观应力集中现象。
几何微观应力集中现象是研究表面微观几何形貌对试件疲劳性能影响规律的理论基础，但是，此理论用于研究真实加工表面完整性对试件疲劳性能的影响规律时存在较大局限性，主要是因为车削、铣削、磨削，甚至表面强化加工过程中，表面材料经过高应变率的塑性变形，其表面材料的性能也发生了很大的变化，除表面粗糙度引起的表面微观应力集中外，表面剧烈的塑性变形强化(不考虑表面微裂纹的因素)也会形成表面微观应力集中现象，我们称之为强化应力集中现象。
强化应力集中现象也会对试件的疲劳性能产生很大影响，但是被研究人员长期忽视。强化应力集中现象产生的基本原理如图1所示，试件经过加工后，塑性变形区内的表面材料必然形成塑性强化，其表面材料的力学性能曲线也从图中的OacbB曲线改变为Oab′B′曲线，但是试件基体材料的力学性能曲线并没有改变。当试件整体受到外加疲劳载荷σ0时，表面层材料和基体材料的应变相等，当应变量在(ε1,ε2)区间内时，表面层材料受到的实际载荷σ1必然要大于材料基体受到的实际载荷σ2。因此，具有典型塑性强化特性的材料，在一定外加载荷范围内就会在试件表层形成强化应力集中现象。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术采用几何微观应力集中现象进行研究时存在局限性，一方面，本发明提供一种加工表面广义微观应力集中现象的建模方法，另一方面，本发明提供了一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明一种加工表面广义微观应力集中现象的建模方法，采用的主要技术方案包括：
S1、获取待加工试件的基体材料组织的真实应力应变曲线；
S2、获取加工试件的加工表面微观形貌曲线，所述加工试件为预先对待加工试件进行机械加工处理后的试件；
S3、采用机械加工表面塑性变形层分层标准对加工试件的表面塑性变形层进行处理，得到多个子塑性变形层；
S4、根据待加工试件的真实应力应变曲线和所述多个子塑性变形层，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线；
S5、利用所述加工试件的加工表面微观形貌曲线、基体材料组织的属性信息和所述每一子塑性变形层的应力应变曲线及其对应的厚度，构建用于对试件加工表面进行分析的二维分层有限元分析模型。
可选地，在步骤S3之前，采用塑性变形层识别规则识别所述加工试件的表面塑性变形层，其中所述识别规则包括：
观测加工试件的横截面组织晶粒的纤维化变形及方向，根据纤维化变形及方向确定垂直于机械加工表面的方向上加工试件的材料金相组织产生塑性纤维化的总厚度确定加工表面塑性变形层；
根据材料组织晶粒纤维化方向与机械加工表面法向的夹角θ的大小将加工表面塑性变形层分成多个子塑性变形层。
可选地，多个子塑性变形层包括：第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层；
其中，第零子塑性变形层的θ等于0°；第一子塑性变形层的θ大于0°且小于等于30°；第二子塑性变形层的θ大于30°且小于等于60°；第三子塑性变形层的θ大于60°且小于等于75°；第四子塑性变形层的θ大于75°且小于等于90°。
可选地，在步骤S4中，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线包括：
第零子塑性变形层的应力应变曲线与基体材料组织真实应力应变曲线相同；
以除去第零子塑性变形层之外的其余各子塑性变形层的厚度比例为依据，将真实应力应变曲线的塑性变形强化部分在应变量坐标轴上进行等比例分段，分别获取第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层的应力应变曲线；
其中，第一子塑性变形层的应力应变曲线为第零层的应力应变曲线除去基体材料组织的屈服部分；
第二子塑性变形层的应力应变曲线为第一层的应力应变曲线去除第一子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第三子塑性变形层的应力应变曲线为第二层的应力应变曲线去除第二子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第四子塑性变形层的应力应变曲线为第三层的应力应变曲线去除第三子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分。
可选地，二维分层有限元分析模型由五个长度相同高度不同的面体接触而成；
所述五个面体从下到上依次对应于第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层，且各面体的高度比等于对应的子塑性变形层的厚度比；
与所述第四子塑性变形层对应的顶层面体的上边缘为所述加工表面微观形貌曲线。
一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法，采用前述建模方法获取二维分层有限元分析模型，包括以下步骤：
101、将加工试件的力学性能参数添加到所述二维分层有限元分析模型中，获得模拟加工试件表面的模型；
102、依据加工试件的测试条件，将测试条件应用在模拟加工试件表面的模型中，通过计算获得模拟加工试件表面的应力分布信息；
103、根据所述模拟加工试件表面的应力分布信息获取最大应力位置点，及所述最大应力位置点对应的最大应力值σmax；
104、利用所述最大应力位置点对应的应力值与所述待加工试件的基体材料组织的应力应变曲线对应的理论应力值进行对比，获取所述待处理的加工试件的加工表面广义微观应力集中系数Kt。
可选地，在步骤101中，所述力学性能参数包括下述参数中的一种或多种：待加工试件基体材料组织的密度、杨氏模量、泊松比、各子塑性变形层的应力应变曲线、模型的尺寸、加载的应变值ε及该应变条件下的理论应力值σ0。
可选地，在步骤101中，所述测试条件为：在二维分层有限元分析模型的两侧分别施加方向远离模型的位移约束，位移约束l的大小利用公式一获得；
公式一：
其中，ε为加载的应变值；L为二维分层有限元分析模型的长度，单位为毫米。
可选地，在步骤104中，加工表面广义微观应力集中系数Kt通过公式二获得；
公式二：Kt＝σmax/σ0；
其中，σmax为分析模型最大应力位置点对应的应力值，σ0为基体材料理论应力值，σmax和σ0单位均为MPa。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：一方面，本发明方法将表面微观几何形貌产生的应力集中现象和表面塑性强化形成的应力集中现象综合，形成加工表面广义微观应力集中现象对试件疲劳性能的影响机理分析模型，弥补采用几何微观应力集中现象进行研究时的局限性。
另一方面，一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法利用二维分层有限元分析模型实现表面完整性重要指标对试件疲劳性能影响规律的综合分析，合理揭示表面完整性影响试件疲劳性能的机理，对研究加工表面完整性影响试件疲劳性能的机理更具有指导意义。
附图说明
图1为强化微观应力集中现象的形成机理；
图2为本发明实施例一提供的一种加工表面广义微观应力集中现象的建模方法流程示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法流程示意图；
图4为本发明实施例三提供的二维分层有限元模型示意图；
图5为本发明实施例三提供的加工表面塑性变形层分层示意图；
图6为本发明实施例三提供的各子塑性变形层应力应变曲线截取示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
本实施例提供了一种加工表面广义微观应力集中现象的建模方法，本实施例的执行主体为计算机，该曲线可理解为预先通过标准拉伸试验获取的，并输入/传输到计算机中的，如图2所示，该建模方法具体包括以下步骤：
S1、获取待加工试件的基体材料组织的真实应力应变曲线；
S2、获取加工试件的加工表面微观形貌曲线，加工试件为预先对待加工试件进行机械加工处理后的试件；举例来说，预先对待加工试件采用相应的工艺方法和参数对待加工试件进行机械加工；
S3、采用机械加工表面塑性变形层分层标准对加工试件的表面塑性变形层进行处理，得到多个子塑性变形层；
优选地，在步骤S3之前，采用塑性变形层识别规则识别加工试件的表面塑性变形层，其中识别规则包括：
观测加工试件的横截面组织晶粒的纤维化变形及方向，根据纤维化变形及方向确定垂直于机械加工表面的方向上加工试件的材料金相组织产生塑性纤维化的总厚度，从而确定加工表面塑性变形层；在具体实施过程中需要确定机械加工对表面塑性变形的影响深度，即在垂直于机械加工表面的方向上，材料金相组织产生塑性纤维化的总厚度。
举例来说，从基体材料组织与塑性变形的分界线开始根据材料组织晶粒纤维化方向与机械加工表面法向的夹角θ的大小将塑性变形层分成多个子塑性变形层。
举例来说，多个子塑性变形层包括：第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层；
其中，第零子塑性变形层的θ等于0°；第一子塑性变形层的θ大于0°且小于等于30°；第二子塑性变形层的θ大于30°且小于等于60°；第三子塑性变形层的θ大于60°且小于等于75°；第四子塑性变形层的θ大于75°且小于等于90°。
S4、根据待加工试件的真实应力应变曲线和多个子塑性变形层，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线；
优选地，在步骤S4中，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线包括：
第零子塑性变形层的应力应变曲线与基体材料组织真实应力应变曲线相同；
以除去第零子塑性变形层之外的其余各子塑性变形层的厚度比例为依据，将真实应力应变曲线的塑性变形强化部分在应变量坐标轴上进行等比例分段，分别获取第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层的应力应变曲线；
其中，第一子塑性变形层的应力应变曲线为第零层的应力应变曲线除去基体材料组织的屈服部分；
第二子塑性变形层的应力应变曲线为第一层的应力应变曲线去除第一子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第三子塑性变形层的应力应变曲线为第二层的应力应变曲线去除第二子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第四子塑性变形层的应力应变曲线为第三层的应力应变曲线去除第三子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分。
S5、利用加工试件的加工表面微观形貌曲线、基体材料组织的属性信息和每一子塑性变形的应力应变曲线及其对应的厚度，构建用于对试件加工表面进行分析的二维分层有限元分析模型。
优选地，二维分层有限元分析模型由五个长度相同高度不同的面体接触而成；
五个面体从下到上依次对应于第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层，且各面体的高度比等于对应的子塑性变形层的厚度比；
与第四子塑性变形层对应的顶层面体的上边缘为加工表面微观形貌曲线。
实施例二
本实施例提供了一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法，即对实施例一方法获取的二维分层有限元分析模型进行分析，如图3所示该方法包括以下步骤：
步骤201、将加工试件的力学性能参数添加到二维分层有限元分析模型中，获得模拟加工试件表面的模型；
优选地，在步骤201中，力学性能参数包括下述参数中的一种或多种：待加工试件基体材料组织的密度、杨氏模量、泊松比、各子塑性变形层的应力应变曲线、模型的尺寸、加载的应变值ε及该应变条件下的理论应力值σ0；在具体实施过程中根据分析需求和初始条件，确定模拟试件加工表面的模型所需参数和载荷条件；
举例来说本实施例中测试条件为：在二维分层有限元分析模型的两侧分别施加方向远离模型的位移约束，位移约束l的大小利用公式1获得；
公式1：
其中，ε为加载的应变值；L为二维分层有限元分析模型的长度，单位为毫米。
步骤202、依据加工试件的测试条件，将测试条件应用在模拟加工试件表面的模型中，通过进行计算，获得模拟加工试件表面的应力分布信息；
步骤203、根据模拟加工试件表面的应力分布信息获取最大应力位置点，及所述最大应力位置点对应的应力值σmax；
步骤204、利用最大应力位置点对应的应力值与待加工试件的基体材料组织的应力应变曲线对应的理论应力值进行对比，获取待处理试件的加工表面广义微观应力集中系数Kt。
优选地，加工表面广义微观应力集中系数Kt通过公式2获得；
公式2：Kt＝σmax/σ0；
其中，σmax为分析模型最大应力位置点对应的应力值，σ0为基体材料理论应力值，σmax和σ0单位均为MPa。
实施例三
本实施例以TC4钛合金为作为待加工试件，下面举例具体构建用于对TC4钛合金加工试件进行分析的二维分层有限元分析模型包括以下步骤：
301、试验材料为TC4钛合金，利用标准拉伸试样，获取TC4钛合金试件的真实应力应变曲线；
302、在切削速度为20m/min，进给量为0.08mm/r及切深为0.1mm的条件下，对TC4钛合金进行车削加工，获取TC4钛合金加工试件，测得TC4钛合金的加工件表面微观形貌曲线；
303、观测车削加工后试件横截面金相组织的塑性变形程度和影响深度，从基体材料组织与组织塑性变形的分界线开始，以材料组织晶粒纤维化方向与机械加工表面法向的夹角θ大小为依据，对塑性变形层进行量化分层获取五个子塑性变形层：
如图4所示，将θ＝0°划分为第零子塑性变形层，即材料基体层；将0°＜θ≤30°划分为第一子塑性变形层；将30°＜θ≤60°划分为第二子塑性变形层；将60°＜θ≤75°划分为第三子塑性变形层；将75°＜θ≤90°划分为第四子塑性变形层；
由此，测得第零子塑性变形层的厚度为50μm，第一子塑性变形层至第四子塑性变形层的厚度分别为1μm、2μm、5μm、10μm；
304、在TC4钛合金试件的真实应力应变曲线的基础上，以第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层量化分层的厚度比例1：2：5：10为依据，将试验基体材料真实应力应变曲线的塑性变形强化部分在应变量坐标轴上进行等比例分段；
如图5所示，第零子塑性变形层即基体材料，保持原有的真实应力真实应变曲线；第一子塑性变形层材料应力应变曲线为原有真实应力应变曲线除去材料屈服部分；第二子塑性变形层材料的应力应变曲线为真实应力应变曲线除去第一子塑性变形层厚度所对应的强化曲线部分；以此类推，进而得到第三、四子塑性变形层的应力应变曲线。
305、建立包含机械加工表面微观形貌曲线、表面塑性变形层和基体材料组织的二维分层有限元分析模型，如图6所示，将力学性能参数添加至二维分层有限元分析模型；
本实施例中仿真模型所需参数和载荷条件包括：TC4钛合金的密度为4.43g/cm3、杨氏模量为110 Gpa、泊松比为0.34，第零子塑性变形层的厚度为50μm，模型的长度L为2000μm，所需加载的应变值ε＝0.02及在此应变条件下的理论应力值σ0＝825 MPa。
进一步地基于上述步骤305建立的二维分层有限元分析模型利用以下步骤进行分析：
306、对上述模型进行网格划分，在其两侧边分别加载大小为l＝20μm、方向为远离模型的位移约束，并求解运算；
307、最大应力位置点位于加工表面处且最大应力σmax＝1039.7 MPa；
308、计算TC4钛合金加工表面广义微观应力集中系数Kt＝σmax/σ0＝1.26。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种加工表面广义微观应力集中现象的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取待加工试件的基体材料组织的真实应力应变曲线；
S2、获取加工试件的加工表面微观形貌曲线，所述加工试件为预先对待加工试件进行机械加工处理后的试件；
S3、采用机械加工表面塑性变形层分层标准对加工试件的表面塑性变形层进行处理，得到多个子塑性变形层；
S4、根据待加工试件的真实应力应变曲线和所述多个子塑性变形层，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线；
S5、利用所述加工试件的加工表面微观形貌曲线、基体材料组织的属性信息和所述每一子塑性变形层的应力应变曲线及其对应的厚度，构建用于对试件加工表面进行分析的二维分层有限元分析模型。
2.如权利要求1的模型，其特征在于，在步骤S3之前，采用塑性变形层识别规则识别所述加工试件的表面塑性变形层，其中所述识别规则包括：
观测加工试件的横截面组织晶粒的纤维化变形及方向，根据纤维化变形及方向确定垂直于机械加工表面的方向上加工试件的材料金相组织产生塑性纤维化的总厚度确定加工表面塑性变形层；
根据材料组织晶粒纤维化方向与机械加工表面法向的夹角θ的大小将加工表面塑性变形层分成多个子塑性变形层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，多个子塑性变形层包括：第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层；
其中，第零子塑性变形层的θ等于0°；第一子塑性变形层的θ大于0°且小于等于30°；第二子塑性变形层的θ大于30°且小于等于60°；第三子塑性变形层的θ大于60°且小于等于75°；第四子塑性变形层的θ大于75°且小于等于90°。
4.如权利要求3的模型，其特征在于，在步骤S4中，获取每一子塑性变形层的应力应变曲线包括：
第零子塑性变形层的应力应变曲线与基体材料组织真实应力应变曲线相同；
以除去第零子塑性变形层之外的其余各子塑性变形层的厚度比例为依据，将真实应力应变曲线的塑性变形强化部分在应变量坐标轴上进行等比例分段，分别获取第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层的应力应变曲线；
其中，第一子塑性变形层的应力应变曲线为第零层的应力应变曲线除去基体材料组织的屈服部分；
第二子塑性变形层的应力应变曲线为第一层的应力应变曲线去除第一子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第三子塑性变形层的应力应变曲线为第二层的应力应变曲线去除第二子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分；
第四子塑性变形层的应力应变曲线为第三层的应力应变曲线去除第三子塑性变形层厚度对应的强化曲线部分。
5.如权利要求4的模型，其特征在于，二维分层有限元分析模型由五个长度相同高度不同的面体接触而成；
所述五个面体从下到上依次对应于第零子塑性变形层、第一子塑性变形层、第二子塑性变形层、第三子塑性变形层和第四子塑性变形层，且各面体的高度比等于对应的子塑性变形层的厚度比；
与所述第四子塑性变形层对应的顶层面体的上边缘为所述加工表面微观形貌曲线。
6.一种加工表面广义微观应力集中现象的分析方法，采用权利要求1-5任一项所述的方法获取二维分层有限元分析模型，其特征在于，包括以下步骤：
101、将加工试件的力学性能参数添加到所述二维分层有限元分析模型中，获得模拟加工试件表面的模型；
102、依据加工试件的测试条件，将测试条件应用在模拟加工试件表面的模型中，通过计算获得模拟加工试件表面的应力分布信息；
103、根据所述模拟加工试件表面的应力分布信息获取最大应力位置点，及所述最大应力位置点对应的应力值σmax；
104、利用所述最大应力位置点对应的应力值与所述待加工试件的基体材料组织的应力应变曲线对应的理论应力值进行对比，获取所述待处理的加工表面广义微观应力集中系数Kt。
7.如权利要求5的方法，其特征在于，在步骤101中，所述力学性能参数包括下述参数中的一种或多种：待加工试件基体材料组织的密度、杨氏模量、泊松比、各子塑性变形层的应力应变曲线、模型的尺寸、加载的应变值ε及该应变条件下的理论应力值σ0。
8.如权利要求5的方法，其特征在于，在步骤101中，所述测试条件为：在二维分层有限元分析模型的两侧分别施加方向远离模型的位移约束，位移约束l的大小利用公式一获得；
公式一：
其中，ε为加载的应变值；L为二维分层有限元分析模型的长度，单位为毫米。
9.如权利要求5的方法，其特征在于，在步骤104中，加工表面广义微观应力集中系数Kt通过公式二获得；
公式二：Kt＝σmax/σ0；
其中，σmax为分析模型最大应力位置点对应的应力值，σ0为基体材料理论应力值，σmax和σ0单位均为MPa。
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