偏心轮高速旋转弯曲疲劳加载的管材高效精密分离方法及断裂机理研究

Aim at the problems such as low efficiency and poor quality of cross-section for metal tube traditional separation methods, a new kind of high efficiency and precision separation method which high speed rotating bending fatigue load on the tube with ring grooves is put forward. The stress concentration effect of ring grooves on the tube is studied, the influence laws of circular groove's geometry parameters are revealed. The influence laws of stress ratio on the mean stress and stress intensity factor are studied when fatigue loading, and the calculation models of crack propagation rate and the fatigue life prediction model of tube are obtained. The material constitutive model and the simulation prediction model for tube separation when bending fatigue loading are established. The laws are revealed which are different materials, the geometric parameters of tube and its annular groove, fatigue load, load frequency and loading cycle influence on crack initiation, the direction of initiation, extension rate and fatigue life by three-dimensional finite element simulation. The experiment platform that tube high precision separation under the eccentric high speed rotating and low cycle fatigue loading is built. The relationship between acoustic emission signals and high-speed dynamic vision signals with crack initiation and propagation characteristic are established. Dynamic fatigue fracture mechanism of tube is revealed and reasonable controllable technological parameters for crack initiation and propagation in tube separation process are got. Implementation of this project will promote the tube separation process to develop in the direction of high efficiency, precision and green manufacturing.

针对金属管材现有分离方法存在的生产效率低和断面质量差的问题，提出一种表面预制有环形槽的管材固定不动，弯曲疲劳载荷高速旋转加载的高效精密分离新方法。研究管材环形槽的应力集中效应，揭示环形槽几何参数的影响规律；研究疲劳加载时应力比对平均应力和应力强度因子的影响规律，获得管材的裂纹扩展速率计算模型和疲劳寿命预测模型；建立弯曲疲劳加载时管材分离的材料本构模型和仿真预测模型，通过管材分离三维有限元仿真，揭示不同材质、管材及其环形槽的几何参数与疲劳载荷、加载频率和加载周期对管材的裂纹起裂时间、起裂方向、扩展速率和疲劳寿命的影响规律；构建偏心轮高速旋转低周弯曲疲劳加载的管材高效精密分离实验平台，建立声发射信号和高速动态视觉信号与疲劳裂纹萌生扩展特征的关系，揭示管材的动态疲劳断裂机理，获得管材分离过程中裂纹萌生扩展的合理可控工艺参数。本项目的研究，将促进管材分离向高效、精密、绿色的制造方向发展。

随着航空、航天、先进轨道交通和汽车等高技术领域的迅速发展，对不同材质、尺寸规格金属管材的高效精密分离技术提出了迫切需求。然而管材精密分离效率高且断面质量好，同时还要能适应绿色制造和高效精密成形的发展理念是规模化应用的障碍。本项目提出一种表面预制有环形槽的管材固定不动，弯曲疲劳载荷高速旋转加载的高效精密分离新方法，并围绕管材环形槽的应力集中效应、管材分离的仿真预测模型、管材裂纹扩展及控制的基础问题展开研究，具体工作及结论包括：采用偏心轮高速旋转弯曲疲劳加载的新方式，研究不同类型环形槽区域的应力状态和应力集中效应，获得了对称环状V型环形槽作为最佳环形槽；分析管材V型缺口根部应力场的参数，得出管材环状V型缺口张开角度、缺口根部圆角半径、缺口深三个参数对本项目的新型分离方法影响最大，并建立了环形槽根部的理论应力集中系数计算模型；通过分析主要参数对理论应力集中系数的影响，揭示了其对环形槽应力集中效应的影响规律，给出了管材表面环形槽关键几何参数的合理取值范围；建立管材在悬臂支撑、弯曲疲劳载荷循环作用下的力学模型，获得了管材的裂纹扩展速率计算模型和疲劳寿命预测模型；结合损伤变量演化方程，建立了管材高效精密分离的本构模型；研究网格优化设计、复杂边界处理、计算效率与精度，采用单元删除法仿真了材料的裂纹萌生、扩展及断裂过程，建立了管材高效精密分离的仿真预测模型；研究管材环形槽根部微孔洞和微裂纹的形成机理，获得了裂纹起裂规律；研究了管材疲劳裂纹扩展机理，揭示了加载频率对分离效率和断面质量的影响规律；搭建偏心轮高速旋转低周弯曲疲劳加载的管材高效精密分离实验装置，建立了管材疲劳断裂的噪声信号与管材失稳瞬断特征之间的关系；揭示了不同材质、管材及其环形槽几何参数和试验工艺参数对管材分离效率和断面质量的影响规律，获得了动态疲劳裂纹萌生、扩展和失稳瞬断过程的合理工艺参数，实现了管材高效精密可控分离。