目录结构

Because the current multi layer flat container is working under high and complex stresses state, it is easy to break and its life is short. In order to solve this problem, the FEM is applied to analyze the multi layer flat container in another paper. The photoelastic test was applied to study this problem in this paper. On the basis of this study, it shows that the results gained from different ways are very similar, and the result gained from FEM method is true.

Keyword：

multi layer flat container; photoelastic test; stress analyze;

Received： 2002-03-20

随着科学技术的进步和现代化工业的飞速发展, 大型铝合金整体带筋壁板作为一种新型的结构材料, 已广泛的应用于高速交通工具和人民生活的各个方面, 但限制其生产应用的一些技术难题至今没有得到很好解决, 影响了大型铝型材的推广和应用。生产用大型扁挤压筒的设计问题就是这些最关键难题中的一个。这个问题没能很好解的决主要原因是没有彻底搞清扁挤压筒在过盈装配及加载状态下内部应力的分布规律, 从而无法合理的设计结构参数。应用有限元技术对扁挤压筒内部应力分布进行分析计算, 是一种科学的研究方法, 通过计算可以直观准确的了解扁挤压筒内部各部分应力分布的情况。而光弹实验是用光学灵敏材料制成与实验物相似的模型, 利用模型材料在相应载荷作用下的折射效应, 通过计算得到表面及内部的应力变化规律。该方法具有足够的可靠性。可以用于验证有限元计算的正确与否。本文进行了扁挤压筒受力的光弹实验, 同时, 光弹实验的结果验证了有限元计算结果 ^[1,2,3,4] 。

1 扁挤压筒内部应力的分布的有限元计算结果

本文主要研究针对配置于8000 t挤压机上的三层预应力结构的扁挤压筒体, 筒体材料选用4Cr₅MoSiV₁, 各层材料的弹性模量E=210 GPa, 泊松系数μ=0.3;扁挤压筒装配顺序为从内至外热装装配。其结构尺寸如图1所示。其中: L=670 mm, W=270 mm, r₁=430 mm, r₂=600 mm, r₃=900 mm ^[2,4] 。

采取自编专用软件进行分析, 计算时将内孔尺寸形状和外筒外径固定不变, 分析各层筒体内部的应力分布规律 ^[1] 。

图2、图3所示为扁挤压筒装配时和加载时的等效应力分布。从图中可以看出扁挤压筒各层筒体的装配等效应力和加载等效应力分布非常不均匀, 应力最大值集中在内孔长轴角点处。为了进一步了解扁挤压筒内部最大等效应力的分布规律, 文章对扁挤压筒内壁的应力分布进行了进一步的分析, 图4、图5为内壁式高等应力逆时针方向的分布情况。

图1 扁挤压筒尺寸示意图

Fig.1 Flat container dimention scheme

图2 装配等效应力分布

Fig.2 Assemble eqniralent stress distribution

图3 加载等效应力分

Fig.3 Working eqniralent stress distribution

图4 装配应力的分布图

Fig.4 Assemble stress distribution

图5 加载应力的分布图

Fig.5 Total stress distribution

2 光弹实验的准备工作

光弹试验采用冻结应力的实验方法, 应用应力冻结切片剪力差法进行应力分析, 实验工作按如下步骤进行:

(1) 光弹实验的模型材料选用E-51型环氧树脂, 固化剂为顺丁烯二酸干, 增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯, 三者比例为100∶30∶5。采用二次固化法制作模型, 模型尺寸为原型的十分之一, 另外, 在实际生产中, 扁挤压筒各层的过盈量一般在0.2%以下, 如果在光弹试验中采用如此小的过盈量, 则很难得到理想的应力分布条文, 由于本试验主要目标是研究扁挤压筒内部的受力分布规律, 并非研究具体的受力值的大小, 为了得到理想、清楚的应力分布条文, 本文根据实验经验确定试验材料的内-中套过盈量为0.64 mm, 中-外套过盈量为0.48 mm。

(2) 光弹法模拟扁挤压筒装配的一个主要难点就是如何实现过盈装配。在实际生产中, 多层过盈装配的扁挤压筒是热装而成的。由于筒体之间过盈量的存在, 多层筒体在装配时要先加热外层筒, 等加热到一定温度。外层筒体内径增大再装入内层筒体。本文在进行光弹实验时也使用了类似的方法, 先按中套内直径和需要胀大的量计算出其需要加热的温度。将其加热后装入内套, 再按外套内直径和需要胀大的量计算出其需要加热的温度。将其加热后装入已经装配好的内套和中套, 获得过盈配合。然后, 再进行应力冻结。

(3) 为了模拟扁挤压筒加载时受内压的情况, 采用硅橡胶为加载介质, 加载量为f_m=400 N, 再进行应力冻结。冻结温度为115 ℃。

(4) 将冻结后试件进行切片 (横向) 、打磨、退火。

(5) 采用双正交光路和氦氖激光拍摄等差线, 采用单正交光路 (即只保留偏振片而取下1/4波片) 和白光光源拍摄等倾线 ^[5] 。

试验制备的模型和切片如图6所示。

3 试验结果分析

试验所得等差线照片如图7所示。

根据等差线和等倾线, 采用剪应力差法计算应力, 并将计算结果转化为实物的受力, 如表1、表2所示。

从图7中可以看出, 在装配及加载状态下扁挤压筒的各层筒体应力分布是不同的, 中套和外套应力分布较为均匀, 但是内套的应力分布很不均匀。这主要是内孔形状的不规则造成的, 从图中可以看出, 在装配及加载状态下应力集中都主要出现在在内孔圆角附近, 等效应力最大值已达到1646 MPa远远超过了内套材料4Cr5MoSiV1钢的强度极限。将图7中相应等差线图与图2、图3进行比较, 可以看出, 应用有限元方法计算的应力分布结果与光弹试验所得的结果基本一致。

为更进一步研究扁挤压筒内筒的应力分布特点, 本文分析了扁挤压筒的内壁等效应力分布情况 ^[3,4] 。图8、图9为扁挤压筒内壁等效应力分布图, 从图8中可看出, 装配后等效应力沿内壁长度方向上是逐渐减小的, 峰值在内壁起点处。随逆时针方向角度的增大, 等效应力随之减小, 当角度转至50°以后等效应力降至很低, 并基本保持不变。图9为扁挤压筒装配后在加载状态下的等效应力分布图。从中可以看出, 加载时等效应力沿内壁长度方向上, 第一个峰值仍然在内壁起点处。随逆时针方向角度的增大, 等效应力随之缓慢减小, 但当转至一定角度 (20°左右) 时等效应力又会逐渐形成第二个峰值, 然后等效应力会快速减小, 当角度转至50 ℃以后等效应力已降至很低, 并基本保持不变。由此可见, 内孔角点承受很大的等效应力作用, 很容易造成扁挤压筒破坏。将图4、图5与图8、图9进行比较, 可以看出, 应用有限元方法计算的应力分布结果与光弹试验所得的结果基本一致。

综上可知:由于扁挤压筒的内孔形状不规则, 挤压筒筒体内由于过盈装配产生的装配预应力和挤压筒在加载时产生的组合应力分布都极不均匀, 最大应力峰值在内套内孔长轴角点处, 如果参数设计不合理将使得最大装配等效应力超过材料的屈服极限, 使得材料发生塑性变形, 这样将导致不良的后果, 影响扁挤压筒的正常工作。理论计算的结果与光弹试验的结果基本一致。