金属材料缺口试样拉伸性能的有限元分析.doc

1、太原工业学院毕业设计目录1 绪论.11.1 研究的目的和意义.11.2 国内外研究进展.21.3 本文主要研究内容及手段.32 有限元计算.42.1 计算目的及意义.42.2 有限元模拟试样.42.2.1 实验材料.42.2.2 材料化学成分及力学性能.42.2.3 材料的强化处理及实体图形.52.3 有限元模拟几何尺寸及几何形状.62.3.1 光滑材料的几何形状及尺寸.62.3.2 缺口材料几何形状及尺寸.62.4 计算模型及方法.73 结果与讨论.143.1 材料变形前后对比.143.1.1 光滑韧性材料纯铜 T1 拉伸性能的有限元分析.143.1.2 光滑脆性材料球墨铸铁 QT900-2

2、 拉伸性能的有限元分析.153.1.3 缺口韧性材料纯铜 T1 拉伸性能的有限元分析.163.1.4 缺口脆性材料球墨铸铁 QT900-2 拉伸的有限元分析.183.2 材料变形应力云图.193.2.1 光滑韧性材料纯铜 T1 拉伸性能的有限元分析.203.2.2 光滑脆性材料球墨铸铁 QT900-2 拉伸性能的有限元分析.213.2.3 缺口韧性材料纯铜 T1 拉伸性能的有限元分析.233.2.3 缺口脆性材料球墨铸铁 QT900-2 拉伸性能的有限元分析.243.3 三向应力表.263.3.1 光滑韧性材料纯铜 T1 拉伸性能的有限元分析.263.3.2 光滑脆性材料（球墨铸铁 QT900

3、-2）的有限元分析.27II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 研究的目的和意义现今社会随着科技的发展,高性能金属材料随处可见，已经是工业应用中最基础的材料，用量最大,更是设备制造和工业设施的基础。由于缺口对材料性能有重要影响，所以为了保证材料一定的力学性能及以后的发展，对研究材料变形、损伤和发生断裂破坏的规律都有重要意义。缺口材料分为脆性材料和韧性材料。一般以拉伸试样的断面伸长率为划分标准，大于 5%为韧性材料，小于 5%为脆性材料。金属缺口是一种常见现象，实际上缺口的形成在材料的制造、加工过程中已经形成，这些微裂纹的聚合与长大造成了宏观缺口的形成与发展。缺口破坏了金属的组织，使材料强度减低

4、。由于缺口的存在，改变了金属的应力分布状况，使裂纹直接在缺口或缺口附近产生1。同时缺口会造成应力应变集中，改变缺口前方的应力状况，使应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸，造成缺口强化现象2。断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格的沿一定的结晶面劈开造成的。金属材料的断裂形式有疲劳断裂，蠕变断裂，应力腐蚀，疲劳腐蚀断裂等。断裂类型有脆性断裂，韧性断裂。断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法，记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。金属拉伸在整个试

5、验过程中的变形可以分为四个部分：塑性变形，屈服变形，均匀塑性变形，缩颈产生3。本论文主要通过 ANSYS 软件来模拟金属拉伸的过程，ANSYS软件一种是融力学、结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上著名的有限元分析软件公司美国 ANSYS 公司开发5。对于材料而言，主要用途是保证其制成的构件在一定的条件和期限内不发生失效。因此对于研究金属缺口材料拉伸性能的研究不仅让我了解了金属材料在单向拉伸及其载荷下的力学性能，熟悉了金属材料的断裂类型及断裂机制，理解了缺口效应，学会了使用 ANSYS 软件，为今后在工作中材料设计和选择打下了良好基础。最重要的是为中国现今材

6、料的发展有重要的实际意义。1太原工业学院毕业设计1.2 国内外研究进展目前在国内研究金属材料拉伸性能的方法主要有实验法和计算法，ANSYS 有限元模拟分析法近年来才出现。在 1981 年，长行安，胡元凯，朱广福等人通过实验法研究了金属缺口拉伸持久试样应力集中系数。主要研究“应力集中系数”K,表示了不同的材料对同样的缺口或同样材料对不同缺口,其应力集中敏感程度是不同的。材料对缺口应力集中敏感度的差异,将影响材料的使用和发挥其最大的效能。所以在零件设计中,只有材料光滑试样的强度、塑性指标是不够的,还需有带缺口的试样在应力集中状态下的强度和塑性的指标6。为以后零件设计做出很大贡献。随后赵康，鄢君辉，

7、郑修麟通过实验法研究了球墨铸铁拉伸缺口强度。主要阐述了机械零件中常存在沟槽、台阶、定位孔等，这种几何不连续性将造成应力集中。这样就会引起应力集中，改变缺口根部的应力状态，引起强度和延性的降低。通过脆性灰铸铁的缺口强度的研究结果，为以后球墨铸铁的强度设计提出了设计准则，同时对低延性材料的缺口强度设计提出理论指导7。在 2007 年，杨莉华，孙东明等应用有限元软件对直杆拉伸变形进行了研究分析。杨莉华，孙东明借助于 ANSYS 有限元分析软件,将拉杆的变形特征以图形的形式反映出来,清晰地表达出材料应力与应变之间的数字对应关系。而实验法数据处理较繁琐,试验机也只能绘制出曲线的基本形状,无法准确描绘各个

8、点应力应变具体的数字对应关系。通过对两种方法结果的比较验证了用软件分析的可行性,该方法是对常规教学方式的改进,丰富了这部分的教学内容，更加完善了材料力学的分析手段8。国外对金属材料拉伸研究更加成熟，早在上世纪便投入大量的人力研究金属的拉伸性能。与国内相比较而言,近 15 年来国外则是 CAE 商品化的发展阶段,有限元研方法究拉伸问题已经趋于成熟，使许多企业对于金属材料缺口拉伸性能有全面的了解,并攻克了许多这方面的问题,使这方面的问题趋于成熟。Zhen 和 A.B.Kang 通过缺口拉伸实验，用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察研究了在不同条件下合金的变形及断裂行为。结果表明由于缺口存在造成应力集中，通过颗粒与界面应力导致合金的断裂与破坏9。M.Bourgeois 和 X。Feaugas 发现了钛铝材料中缺口形成发生在夹杂物和他们的附近，通过金属缺口拉伸实验和有限元分析验证了孔洞的生长模型，为以后缺口的研究2太原工业学院毕业设计提供有力依据10。后来如 A.P.Amosov 和 A.F.Fedotov 等都应用 ANSYS 对金属拉伸性能进行了有限