脆性剖分類零件啟裂數(shù)值分析

王金偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

脆性剖分類零件啟裂數(shù)值分析

王金偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

裂解槽作為初始裂解源其尖端的應(yīng)力狀態(tài)尤其是厚度方向的應(yīng)力分布直接影響著剖分類零件的裂解性能，是裂解加工成敗的關(guān)鍵。文中利用ABAQUS有限元軟件，對脆性剖分類零件(軸承座)啟裂進行了分析。分析結(jié)果表明：裂解槽應(yīng)力集中效果明顯，隨著載荷的增加，裂解槽根部的最大正應(yīng)力逐漸增加，趨近于材料的斷裂強度；最大正應(yīng)力從裂解槽的中間部位向兩側(cè)均勻遞減；對于脆性材料，最大正應(yīng)力出現(xiàn)在裂解槽頂端，啟裂發(fā)生在工件中心對稱面裂尖附近，這種啟裂位置的唯一性有利于獲得高質(zhì)量的斷裂面，減少裂解缺陷。

脆性材料；裂解槽；啟裂位置；數(shù)值分析

引 言

裂解技術(shù)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種加工新工藝，具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)省材料與能源以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點[1]。隨著對裂解的廣泛研究，裂解技術(shù)日趨成熟，對裂解原理、裂解過程及控制的認(rèn)識也進一步加深。裂解材料由粉末冶金擴展到鑄鐵和鍛鋼等。同時，裂解加工技術(shù)的應(yīng)用也逐步擴展到曲軸法蘭、軸承、套等剖分類零件。

脆性剖分類零件的裂解過程、參數(shù)選擇與韌脆性材料(連桿)存在顯著差異。

目前，研究較多的是連桿常用材料(韌脆性材料)的裂解工藝，對脆性剖分類零件裂解技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用還處于起始階段。與韌脆性材料裂解加工相比，脆性剖分類零件的裂解加工工藝更加復(fù)雜，效益更加明顯。

試驗表明，裂解過程的啟裂時間為毫秒量級，屬準(zhǔn)靜態(tài)斷裂范圍[2]。對脆性材料，其斷裂的微觀機理是材料中的微裂紋的萌生、擴展和貫通，最后形成宏觀裂紋。遵循正應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則。即當(dāng)裂解槽根部的局部應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，材料元斷裂從而在裂解槽根部形成裂紋。因此本文通過ABAQUS對某箱體軸承座的脆性剖分類零件的裂解加工進行模擬，分析裂解槽尖端附近三維應(yīng)力分布，及沿厚度方向的應(yīng)力分布。通過對比裂解槽厚度方向與裂紋前端兩個方向上最大正應(yīng)力出現(xiàn)的位置，確定啟裂點，并分析可能出現(xiàn)的裂解缺陷。為逐步建立一套成熟的脆性剖分類零件裂解加工工藝奠定基礎(chǔ)。

1 裂解加工原理

剖分類零件裂解加工技術(shù)的原理是利用材料的斷裂特性，在零件圓柱孔內(nèi)側(cè)對稱加工兩條裂解槽，形成初始斷裂源，然后施加垂直于預(yù)定斷裂面的正應(yīng)力使剖分類零件在斷裂源處脆性斷裂分離成本體和蓋體，最后將本體和蓋體用三維凹凸斷裂面精確復(fù)位，并采用定扭矩上螺栓法使本體和蓋體緊密連接，以進行后續(xù)加工工序。

定向裂解技術(shù)的基礎(chǔ)是斷裂力學(xué)理論。由斷裂力學(xué)可知，裂紋表面的位移有3種基本形式，即張開型(Ⅰ型)、滑移型(Ⅱ型)和撕開型(Ⅲ型)。上述3種形式中，張開型斷裂是低應(yīng)力脆斷的最基本形式，即在溫度和應(yīng)變速率相同的情況下，拉應(yīng)力狀態(tài)對脆性斷裂的發(fā)生最為敏感[3]。其特點是斷裂時承受的工作應(yīng)力較低(通常遠(yuǎn)低于材料的屈服強度)、塑性變形小、斷口方向與正應(yīng)力垂直[4]。

由以上分析，剖分類零件裂解加工應(yīng)滿足張開型斷裂的發(fā)生條件，應(yīng)力應(yīng)變場理論分析可以簡化為具有一定厚度的含裂紋平板，如圖1所示。

圖1 張開型裂紋及三維塑性區(qū)

2 裂紋尖端應(yīng)力場分析

具有一定厚度的含裂紋平板，沿Z軸方向的前后板面和空氣接觸不受約束，因此板面上誘導(dǎo)的內(nèi)應(yīng)力σz=0，切應(yīng)力τxz=τyz=0，即沿Z軸方向的內(nèi)應(yīng)力均為零。因此裂紋尖端附近應(yīng)力只存在應(yīng)力分量σx、σy和τxy。這3個應(yīng)力分量同在平行于xoy面的平面內(nèi)，因此沿Z軸方向的前后板面裂紋尖端附近的應(yīng)力場僅存在2向應(yīng)力，屬于平面應(yīng)力狀態(tài)。在中部沿板厚Z軸方向板很難變形，因此Z軸方向位移W=0，應(yīng)變εz=0，屬于平面應(yīng)變狀態(tài)，如圖1(b)所示。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，除非應(yīng)力集中系數(shù)特別高，一般不會發(fā)生脆性破壞；而在平面應(yīng)變狀態(tài)下，構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)(裂解槽)材料常處于3向受拉狀態(tài)，其塑性變形的發(fā)展受到限制，因而極易發(fā)生脆性破壞[5]。

根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，張開型裂紋的裂尖應(yīng)力場分布為[6]

(1)

式中：KI為應(yīng)力強度因子；r、θ為裂紋尖端附近點的極坐標(biāo)；2a為裂紋長度。

裂尖塑性區(qū)邊界方程為[7]

(2)

(3)

式中：σs為材料在單項拉伸時的屈服極限；μ為材料泊松比。當(dāng)θ=0°、μ=0.227時，

r平面應(yīng)變≈0.6r平面應(yīng)力

(4)

由式(4)可以看出，在θ=0°的裂紋延長線上，平面應(yīng)變狀態(tài)下的塑性區(qū)尺寸比平面應(yīng)力狀態(tài)下的塑性區(qū)尺寸小，平面應(yīng)變區(qū)將更快到達塑性變形區(qū)臨界值。因此裂紋擴展將由中心面開始，再延伸到板的表面。

3 有限元模型

3.1 建模及簡化處理

本文以某箱體主軸承座為例，抽取單一軸承座建立幾何簡化模型，具體形狀如圖2所示。圓形孔尺寸Ф60 mm，外端圓弧尺寸Ф100 mm，兩側(cè)寬度100 mm，厚度20 mm，裂解槽尺寸：深度0.6 mm，張角60°，曲率半徑0.1 mm。

圖2 三維實體造型圖

HT150材料的真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。相關(guān)參數(shù)如下：材料彈性模量E=1.018×105MPa；材料泊松比ν=0.227；名義屈服應(yīng)力σ0.2=113.4 MPa；斷裂應(yīng)力σb=154.12 MPa。

表1 HT150的真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

軸承座關(guān)于主軸左右對稱，據(jù)此取模型的1/2作為有限元分析對象。

3.2 約束與載荷

邊界約束如圖3所示，下底面為完全約束；側(cè)面為對稱面，約束X軸方向的自由度；下表面只約束Z軸方向的自由度。外加載荷位于內(nèi)圓表面，為大小相等方向相反的均布力。

圖3 約束與載荷

3.3 模型單元選擇與網(wǎng)格劃分

將模型網(wǎng)格劃分為C3D8R單元(應(yīng)力位移三維8節(jié)點6面體減縮積分實體單元)，劃分網(wǎng)格時一般要求網(wǎng)格質(zhì)量能達到某些指標(biāo)。在重點研究結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使個別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差。而在結(jié)構(gòu)次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。為了保證模擬精度，在裂尖區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化。本文的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

脆性材料在拉應(yīng)力外載荷下的斷裂方式為正斷，采用最大正應(yīng)力準(zhǔn)則，正應(yīng)力σyy最先達到臨界斷裂應(yīng)力σf的點首先發(fā)生啟裂，即σyy≥σf。由正應(yīng)力分布云圖(圖5)可見，在裂解槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂解槽的厚度方向與前端正應(yīng)力較大，容易優(yōu)先啟裂。本節(jié)主要研究啟裂點在裂解槽的厚度方向和長度方向上的具體分布位置。所選模型在靜載狀態(tài)下外載荷約5 MPa時出現(xiàn)最大正應(yīng)力σyy≥σf的現(xiàn)象，認(rèn)為外載荷在4～5MPa范圍時該材料可以啟裂。故研究外載荷為3 MPa、4 MPa、5 MPa 3種載荷下正應(yīng)力σyy最大值出現(xiàn)的位置。

4.1 裂解槽厚度方向應(yīng)力分析

在裂解槽厚度方向頂端和上下0.02 mm處建立3條路徑，位置如圖6所示。研究正應(yīng)力σyy在不同載荷下沿3條路徑的分布。

圖6 裂解槽上分析路徑位置示意圖

圖7給出不同載荷下正應(yīng)力在3條路徑上的分布情況。隨著載荷的增加，裂解槽根部的最大正應(yīng)力逐漸增加，趨近于材料的斷裂強度。各路徑上正應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置基本相同，均在裂解槽的中間部位，向兩側(cè)均勻遞減。這主要是因為一定厚度的工件受拉應(yīng)力作用時中間層可以近似為平面應(yīng)變狀態(tài)，上下自由表面層為平面應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)變狀態(tài)比平面應(yīng)力狀態(tài)的變形小，而變形要耗費一定的變形能，產(chǎn)生卸載阻礙脆性斷裂的發(fā)生。所以在裂解槽上啟裂點位于中間部位。

圖7 不同載荷下正應(yīng)力在3條路徑上的分布曲線圖

在4種載荷下，中間路徑上的最大正應(yīng)力比另外兩條路徑大，說明應(yīng)力集中在裂解槽頂端，啟裂點應(yīng)在路徑1上。綜上可知啟裂點應(yīng)在路徑1的中間位置，裂紋在此處啟裂然后向兩側(cè)均勻擴展。

4.2 裂解槽中間截面應(yīng)力分析

因為正應(yīng)力σyy在沿裂解槽厚度方向上的分布規(guī)律是在中間位置出現(xiàn)峰值且向上下兩表面遞減，所以分析正應(yīng)力σyy在裂紋前端的分布規(guī)律時主要分析中間截面上的應(yīng)力分布，如圖8所示。

圖8 不同載荷下中間截面上正應(yīng)力在裂紋前端的分布

當(dāng)外載荷為4 MPa時，中間截面上的最大正應(yīng)力出現(xiàn)在裂解槽尖端。隨著載荷的增加，正應(yīng)力的峰值位置逐漸遠(yuǎn)離裂解槽尖端，向內(nèi)部擴展。這是因為裂解槽尖端進入屈服后應(yīng)力的分布規(guī)律也發(fā)生了變化。在彈性階段，應(yīng)力的最大值位于裂解槽尖端，隨著載荷的增加，應(yīng)力按比例增大。屈服之后，裂解槽尖端的應(yīng)力σy基本保持不變。應(yīng)力σy的最大值出現(xiàn)在距離裂解槽尖端一定距離處，并隨載荷的增加而遠(yuǎn)離尖端。所以當(dāng)正應(yīng)力值達到斷裂臨界值時，工件在裂解槽尖端附近單元啟裂而不是從尖端啟裂。

綜上對正應(yīng)力在沿裂解槽厚度方向與裂紋前端兩方向的分析得出，脆性材料的啟裂優(yōu)先發(fā)生在工件中心對稱面裂尖附近的位置。中心面兩側(cè)應(yīng)力對稱分布，有利于斷裂面的平齊，提高斷裂面質(zhì)量。

5 結(jié)束語

1)剖分類零件裂解加工滿足張開型斷裂的發(fā)生條件，應(yīng)力應(yīng)變場理論分析可以簡化為具有一定厚度的含裂紋平板，理論分析表明裂紋擴展由中心面開始，再延伸到板的表面。

2)正應(yīng)力σyy在沿裂解槽厚度方向中間位置出現(xiàn)峰值且向上下兩表面遞減。脆性材料的最大應(yīng)力集中在裂解槽厚度方向中間部位，啟裂優(yōu)先發(fā)生在工件中心對稱面裂尖附近的位置。

3)脆性剖分類零件斷裂時裂紋形核與擴展幾乎同時發(fā)生，主要受最大正應(yīng)力的影響。啟裂位置的唯一性有利于減少裂解缺陷，獲得高質(zhì)量的斷裂面。啟裂位置的散布性極易引起裂紋分叉、交匯異常等問題，并引起撕裂、崩角、斷裂面臺階、夾屑、外緣暴口等裂解缺陷，從而影響裂解加工質(zhì)量。

[1] REPGEN B. Optimized connecting rods to enable higher engine performance and cost reduction[C]//SAE Technical Paper Series, Paper No. 980882. 1998.

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王金偉(1982-)，男，工程師，主要從事雷達陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Numerical Analysis of Crack Initiation of the Brittleness Profile Classification Parts

WANG Jin-wei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Fracture splitting notch is the initial fracture source. The stress state of its tip, especially the stress distribution in thickness direction directly affects the cracking performance of the profile classification parts. It is the key to success in cracking process. In this paper, the crack initiation of brittleness profile classification parts is analyzed using ABAQUS finite element software. Analysis results show that the stress concentration effect of fracture splitting notch is obvious, and the maximum normal stress at the root of the fracture splitting notch is increasing as the load increases, close to the fracture strength; that the maximum normal stress uniformly decreases from the middle to both sides of the fracture splitting notch; that to brittle materials, the maximum normal stress occurs at the top of the fracture splitting notch, crack initiation occurs in the workpiece center symmetry plane near the crack tip position. This unique crack initiation position is conducive to getting high quality fracture surface and reduces cracking defects.

brittle materials; fracture splitting notch; crack initiation position; numerical analysis

2013-09-11

TG111.91

A

1008-5300(2014)01-0044-04