液压机本体结构的弹塑性分析设计理论与实验研究

Hydraulic press is one of the industrial equipment to contribute load for forming process, and the body construction reflect the technical level of the press. The design by analysis technique for the body construction is always a significant developmental direction of the modern design theory of press. Due to the structure and the bearing condition of the body construction are complex, local high stresses appear inevitably at some certain locations and local plastic deformations occur sometimes. The application of conventional elastic design theory can not make a reasonable assessment for this situation anymore and lead to conservative results. Therefore in this study the elastic-plastic theory is introduced into the analysis and design of the body construction in order to break through the elastic criterion. Starting with the establishment of the accurate cyclic elastic plastic analysis model of the body construction, and performing systematic research on the subsequent evolution process of the local plastic deformation and the influence of it on the failure and security service condition of the body construction, a new shakedown criterion to obtain the actual value of the shakedown limit load is established. The shakedown design rules for the body construction of press are proposed. Then the shakedown numerical design by analysis system for the body construction is developed. Thus the theory of elastic-plastic design by analysis for body construction is established preliminarily. The study is expected to initiate a new research direction for the design theory of the hydraulic press body construction. Besides it can provide theoretical references for the design and evaluation of other structures.

液压机是以出力为主的工业装备，其本体结构的优劣决定着整台设备的技术水平。本体结构的分析设计方法始终是液压机现代设计理论的重要发展方向。鉴于液压机本体结构及工况的复杂性，其服役过程中不可避免地会在某些部位形成局部高应力区，甚至产生塑性变形。传统的基于弹性力学的结构设计理论对此已无法进行合理的解释与评价，设计结果通常偏于保守。为此，本项申请提出将弹塑性理论引入到液压机本体结构的分析设计中，突破结构必须满足弹性强度许可的设计思想。拟从建立液压机本体结构的精确循环弹塑性分析模型入手；通过系统研究局部塑性变形对液压机本体失效与安全服役性能的影响，及其在后续承载过程中的演化规律，构建面向安定极限载荷真值的安定性判据和设计准则，并开发相应的分析设计系统，进而初步建立液压机本体结构的弹塑性分析设计理论。该项研究有望开启液压机本体设计理论的全新研究方向，并可为一般结构的设计校核提供理论借鉴。

液压机是生产大型自由锻件和模锻件的主要装备，以出力为主，其本体结构的优劣决定着整台机器的技术水平。本体结构分析设计方法始终是液压机现代设计理论的重要发展方向。鉴于液压机本体结构及工况的复杂性，其服役过程中不可避免地会在某些部位形成局部高应力区，甚至产生塑性变形。相比传统的基于弹性力学的结构设计理论，本课题将弹塑性理论引入到液压机本体结构的分析设计中，突破了结构必须满足弹性强度许可的设计思想。. 课题分析了液压机本体常用的3种结构材料在不同对称应变、非对称应变及非对称应力循环载荷控制条件下的力学响应；构建了一个可更加准确地描述材料单轴棘轮行为以及应变循环特性的本构模型，并通过二次开发将其嵌入到了商用有限元软件中，形成了精确的结构循环弹塑性分析能力。. 基于已建立的精确弹塑性循环本构模型，结合安定性下限定理，建立了面向安定极限载荷真值的安定性判据，提出了基于安定理论的液压机本体结构弹塑性强度准则。考虑了液压机本体的载荷和服役特点，提出基于安定性的安全裕度评定准则，初步形成了液压机本体结构的安定性设计理论体系。. 基于循环弹塑性计算分析和实验研究，揭示了液压机横梁在不同载荷水平下局部高应力区的位置特点，及其在后续循环中的演化规律，探讨了局部塑性变形对压机本体结构服役性能的影响规律。通过综合考虑材料循环加载下的软硬化特性、结构变形特点等因素，结合残余应力场的演化规律，构建了稳定态真实残余应力场的预测模型；综合液压机本体结构的弹塑性精确分析方法、基于稳定态真实残余应力场的安定性判据及稳定态残余应力场的预测模型，形成了液压机本体结构的高效安定性分析设计方法。. 本项研究提出的基于弹塑性理论的结构强度许可界限，更加充分地发挥了材料和结构的承载能力，为液压机本体结构设计理论的发展提供了新的思路，并为研究一般结构中的局部塑性变形行为提供理论借鉴，具有广阔的应用前景。