专利名称：热加工工艺过程的光弹(塑)性模拟方法
本方法用于研究金属工件的淬火过程热应力，焊接过程热应力和残余应力，研究金属氮化所产生的残余应力以及研究锻件的变形规律。
目前国外已有人研究塑料淬火过程的热应力，但尚没有用塑料淬火模拟金属淬火过程。只有人用光弹方法研究焊缝尺寸形状对工作应力的影响，没有人用光弹塑料焊接的热传导和热应力去模拟金属构件焊接过程的热应力和残余应力。有人利用光弹塑料的时间边缘效应去研究自身的应力状态，但无人用来模拟金属工件氮化所产生的残余应力。光塑性在锻压中早有应用，但是，原有的光塑性技术未解决复杂形状锻件的三维应变分解的困难。就整个加工工艺而言，其工艺过程中的力学参量的实测是困难的。
本发明的目的在于克服或补充现有模拟技术不足，为研究加工工艺过程提出了一种模拟包括淬火，氮化、焊接、锻压在内的光弹塑性模拟方法。
发明内容
找出和确定了光弹塑料与金属材料热处理，焊接过程的相似性，建立了光弹模型与金属实物之间的相似关系，提出了光塑性一般三维应变分解公式，最后根据光弹模型与金属实物之间的相似关系，将光弹模型的应力或应变换算到金属实物上，针对各过程，其方法及具体工艺为1.利用热负荷模拟法，用光敏塑料的淬火热应力模拟金属工件淬火过程的热应力。工艺为(1)确定金属材料和光弹材料的热学、力学及光性能参数，确定对流换热系数;(2)根据金属工件的淬火工艺确定光弹模型的淬火工艺，并确定出相似常数;(3)由准则K2＝ (Kλ)/(Kh) 确定光弹模型尺寸，(4)由准则Kt＝ (K2l)/(Ka) 确定出对应的时间，(5)对光弹模型加热后放入介质中淬火，测取温度及条纹随时间的变化，根据无量纲温度准则Tp＝Tfp+( (T-T0)/(T0-Tf) )m(To-Tf)p确定金属工件对应点的温度，根据σp＝Ka·KT·KE·σm将光弹模型换算到金属工件上。
2.利用光弹材料的时间边缘效应模拟氮化残余应力。
3.用光敏塑料的焊接残余应力模拟金属构件的焊接残余应力，其方法与过程为(1)选择光敏塑料，确定光弹塑料与金属构件之间的各相似系数Kc·Kp·KQ·Kv·Kr根据金属的焊接热输入、焊接速度，确定光弹、塑料的焊接工艺，(2)计算模型尺寸，K2＝ (KQ)/(KC·KP·KV·KT) ;(3)对光弹塑料进行焊接，测取其应力场及温度场，(4)按σp＝Ka·KT·σm和Kt＝ (K2l)/(Ka) 和KT，将由光弹得出的结果换算到实物上。
4.光塑性三维应变场分解方法，用下述公式对大变形模型进行三维应变场分解，就可得到锻件的应变场分布，用Almansi应变张量，E′ij表示应变。
对模型的任一点沿三个垂直方向切片。
对X、Y切片作Z向正射，有E′x-E′y＝〔(E′1)-(E′2)′〕Cos2θxy＝ (NZ·f)/(dZ) Cos2θxyE′xy＝ (NZ·f)/(dZ) Sin2θxy(2)对YZ正射，可得，E′y-E′z＝ (NX·f)/(dX) Cos2θyzE′yz＝ (NX·f)/(dX) Sin2θxy(3)对Zx正射可得E′z-E′x＝ (Ny·f)/(dy) Cos2θzxE′zx＝ (Ny·f)/(dy) Sin2θzx可推出体积不变的表达式为E′x+E′y+E′z-2〔E′xE′y+E′y·E′z+E′zE′E′x+E′y+E′z-2[E′xE′y+E′y·E′z+E′zE′x-(E′xy1+E′yz1+E′zx1)]+4[E′x]]>E′yE′z+2E′xyE′yzE′zx-(E′xE′yz1+E′yE′xz1+E′ZE′xy1)]=0]]>这样联立各式就求得了全部应变分量。
实施例(1)齿轮淬火过程的热应力，将模型齿轮整体或单齿加热到所预定的温度场，然后放到冷却介质中急冷，记录条纹和温度变化，然后根据上述提到的公式换算到金属实物上去。
(2)薄板对接板焊接，按相似关系设计出模型尺寸，用塑焊枪和塑料焊条，进行焊接，待完全冷却后，对塑料焊接板进行测量，并根据前述提到的二式换算到金属实物上去。
(3)对台阶轴的楔横轧进行了三维应变场分解。
效果优点本发明与现有技术相比有如下优点(1)能直观地反映金属工件慊鸸倘扔αΦ谋浠媛桑捎美囱芯拷峁沟娜扔α形侍狻 (2)能直观的反映焊接构件的残余应力分布，成为测量焊接件残余应力的一种方法。
(3)能分解复杂锻件的三维应变场，对于研究锻件的变形规律，提高锻件质量以及模具寿命有很大意义。
权利要求
1.一种光弹塑料淬火方法，现在只能研究塑料本身的热应力，本发明的特征在于用光弹塑料的淬火方法来模拟金属的淬火过程，建立一组塑料与金属相似准则表达式，对金属淬火的残余应力进行应力分析。相似准则表达式如下(Kh·Kl)/(Kλ) =1(K2l)/(Ka·Kt) =1Kθ=1 (θ= (T-Tf)/(T0-Tf) )
2.一种塑料的时间边缘效应现象，只能用于研究自身的应力状态。本发明的特征在于用塑料的时间边缘效应来模拟研究金属工件氮化的残余应力。
3.一种光弹实验方法，只用于研究焊缝尺寸、形状对工作应力的影响。本发明的特征在于提出一种光弹塑料焊接方法，建立了塑料与金属的热传导相似准则表达式K21＝ (KQ)/(KC·KP·KV·KT) ，对金属构件焊接过程的热应力和残余应力进行分析。
4.一种光塑性方法，只用于已知主应变方向的应变分解。本发明的特征在于提出了大变形时的一般三维应变场的计算公式。计算公式如下(采用Almansi应变张量Eij表示应变)。过一点沿三个垂直方向X，Y，Z切片，分别对三个切片(设XOY，YOZ，ZOX)正射，可得到E′x-E′y＝ (N1·f)/(d1) Cos2θXYE′xy＝ (N1·f)/(d1) Sin2θxyE′y-E′z＝ (N2·f)/(d2) Cos2θyzE′yz＝ (N2·f)/(d2) Sin2θyzE′z-E′x＝ (N3·f)/(d3) Cos2θzxE′zx＝ (N3·f)/(d3) Sin2θzx体积不变条件为E′x+E′y+E′z-2〔E′xE′y+E′yE′z+E′zE′x-E′2xy-E′2yz-E′2zx〕+4〔E′xE′yE′z+2E′xyE′yzE′zx-E′xE′2yz-E′yE′2zx-E′zE′2xy〕＝0联立上面几式可解得各应变分量。
全文摘要
本发明是用光弹(塑)性技术来模拟热加工工艺，利用光敏塑料与金属材料热加工过程的相似性建立光弹模型与金属实物之间的相似关系，提出光塑性一般三维应变计算公式，将光弹模型的应力或应变换算到金属上，从而解决金属件淬火过程的热应力，和金属构件焊接的残余应力及金属锻件应变场的分布。
文档编号G01L1/24GK1031278SQ8810357
公开日1989年2月22日 申请日期1988年6月9日 优先权日1988年6月9日
发明者赖曾美, 张鸿庆, 唐新成, 卢志辉 申请人:国家机械委郑州机械研究所