【摘 要】
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金属管材由于具有重量轻,产品性能好等优势,广泛应用于航空航天、汽车制造、机械零件等领域。管材精密分离是管材工业制造中的第一步,基于裂纹起裂及扩展的低成力精密分离技术,由于具有节约原材料、低能耗等优点,在工业技术领域受到关注。目前关于管材分离技术多限于锯切、剪切等分离工艺上,很少涉及金属管材疲劳裂纹萌生、扩展、断裂及扩展速率等的影响规律研究,进而阻碍了低应力在管材方面的应用。本文以金属圆管材为研究对
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51805433）； 中国博士后科学基金项目（2018M633543）；
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金属管材由于具有重量轻,产品性能好等优势,广泛应用于航空航天、汽车制造、机械零件等领域。管材精密分离是管材工业制造中的第一步,基于裂纹起裂及扩展的低成力精密分离技术,由于具有节约原材料、低能耗等优点,在工业技术领域受到关注。目前关于管材分离技术多限于锯切、剪切等分离工艺上,很少涉及金属管材疲劳裂纹萌生、扩展、断裂及扩展速率等的影响规律研究,进而阻碍了低应力在管材方面的应用。本文以金属圆管材为研究对象,通过对金属管材预制V型缺口,从理论分析、仿真模拟和实验验证三个方面相结合,对金属管材疲劳断裂机理进行研究。主要研究工作和结论包括:（1）分析了偏心轮旋转精密分离的原理,对管材进行受力分析,得到管材加载载荷作用的理论模型,以及金属管材在加载时受到的应力变化及影响因素;通过室温拉伸实验测定了材料基本力学性能,建立了 Zerilli-Armstrong（Z-A）本构模型,利用ABAQUS有限元分析了管材结构参数加载力臂、夹持力臂及底角半径等对V型缺口应力的影响规律,根据分析的结果得到了更加优化的结构参数:加载力臂取值范围为70mm～100mm;夹持力臂取值范围为1 2mm～15mm;底角半径取值范围为0.1mm～0.4mm。（2）基于断裂力学及疲劳理论建立了管材偏心加载三维有限元模型,并验证了模型的正确性。数值模拟研究结果表明,当缺口深度q=0.2时,V型缺口处的最大应力集中系数相对于缺口深度q=0的情况增大了 29.9%,显著加快了管材裂纹的起裂时间;在交变载荷及线性载荷作用下,管材裂纹扩展较快且外表面扩展速率大于内侧裂纹扩展速率,在相同分析步下,产生的裂纹开口程度较大;研究了管材裂纹起裂过程,由于受到拉应力与剪切应力的作用,导致裂纹会在缺口加载载荷的一侧发生,且随着加载力臂的增大,起裂角也增大,但对起裂位置的影响较小。（3）搭建了金属管材疲劳实验平台,制备了管材试样,研究了 20钢、45钢、304不锈钢和紫铜四种材料在不同加载力臂、不同加载频率下的分离规律,并对金属管材断面质量进行了研究,测试了管材断面轮廓值,加载力臂L=100mm情况下,断面较为整齐,加载力臂L=70mm情况下,断面凹凸不平现象较明显;基于实验平台研究了金属管材起裂过程,研究了别在加载频率f=3.3Hz和f=6.6Hz下裂纹扩展速率,加载频率对裂纹扩展速率影响较大,实验结果与有限元仿真结果吻合较好。
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