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钢丝拉拔和失效过程的有限元模拟及其应用

徐贵娥  
【摘要】: 钢丝及钢绞线在国家经济建设中具有重要的作用,特别是高强度PC钢绞线等第三代高档建筑材料,正被越来越广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等现代大型建筑中,随着我国基础设施建设力度的不断加大,其年需求量更呈稳步攀升之势。为保证钢绞线的实物质量及其大生产的连续性、高效性,其原料热轧高碳盘条必须满足以下三个要求:一是力学性能的要求;二是通条性好;三是低的拉拔断丝率。目前,国产热轧高碳盘条与国际先进水平的主要差距就表现在高断丝率上。本文以PC钢绞线用热轧盘条的拉丝形变过程为研究对象,研究如何运用有限元方法和断裂力学理论来模拟金属拉丝成形过程中内部缺陷的形成和演化规律,以及拉丝工艺控制参数对缺陷演化过程的影响。 本课题在从拉丝生产现场收集、整理和提供的断口资料的基础上,将断口的形成归结于缺陷的存在,并将缺陷简化为圆盘面状的单个裂纹,将含单个裂纹的钢丝拉拔问题归纳为两类模型:中心裂纹模型和偏心裂纹模型。 有限元分析采用了两种途径来对拉丝问题进行分析:其一,分析结果的应力云图可直观地显示复杂应力状态下的盘条中应力集中的特点,在裂纹尖端表现应力奇异性,显示了裂纹可能扩张的趋势,也即断口形成的机理。其二,定量研究。以J积分作为断裂参量对拉拔状态进行评估,从而以J积分判据作为临界状态的度量准则。 文中首先通过力学分析说明了中心人字形裂纹形成的机理;然后针对含中心缺陷的拉丝问题提出轴对称计算模型,基于此计算模型研究了模具顶角、摩擦系数等工艺参数对形变区内裂纹尖端应力场分布的影响,得出随着拉丝模具顶角的增大和摩擦系数的减小,裂纹尖端应力集中区域与拉丝轴之间的夹角变小,即形成笔尖状断口的斜角变大,笔尖变得更细长;定量研究结果表明:随着裂纹尺寸的增加、模具顶角的增大和摩擦系数的增大,J积分值随之增大。在摩擦系数为0.1时,对于相同尺寸的裂纹,J积分数值随着模具顶角的减小而减小,当达到8°后,J积分的数值变化较小,趋于一个定值。 缺陷偏离钢丝中心线时,应力分布不均仍是拉拔中的主要特点,环绕裂纹前端有应力集中现象,对于本身几何对称的裂纹,裂纹前端集中应力的分布并不对称,偏心度越大这种不对称更加显著。在接近裂纹的一侧,材料外层的应力集中很突出,可见偏近裂纹的盘条表面受到磨损较严重,而且偏心度越大,外层材料的应力集中越严重,其物理意义即盘条表层受到磨损越严重。由此可见,当偏心度大到一定程度,表层材料在偏近缺陷与远离缺陷的两侧受力严重不均,就可能导致钢丝突发性被拉断,即发生脆断。 对不同的裂纹偏心度进行的J积分数值计算和分析研究表明:对应同一偏心度同样尺寸的裂纹,环绕裂纹前端三个不同方位的J积分值有很大的差异,在90°面上的J积分数值较大,表明裂纹更容易在此方位发生扩展;随偏心度的增加,J积分有减小趋势,说明缺陷接近中心轴危害更大,但随着偏心度的增加,由于缺陷有不同部位的组合,可能引发不同的断裂机制,造成不同的断口形态。 最后,将有限元分析研究的结果进一步应用于拉丝生产工艺的优化,为改进工艺、降低断丝率提出了指导性建议。


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