【摘 要】
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低应力下料技术是借助裂纹来进行物料切割与分离的一种新型绿色下料方法,与传统下料方法相比,具有节省材料、高效节能和下料断面质量高等优点。然而,由于对棒料断裂机理的认
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低应力下料技术是借助裂纹来进行物料切割与分离的一种新型绿色下料方法,与传统下料方法相比,具有节省材料、高效节能和下料断面质量高等优点。然而,由于对棒料断裂机理的认识尚不明确,现有的低应力下料方法还难以对棒料裂纹的起裂和扩展进行精确控制,进而阻碍了低应力下料的广泛应用。本文采用理论分析、数值仿真和试验相结合的方法,对高速离心低应力下料中棒料断裂机理进行了深入的研究。（1）为了研究棒料的起裂机理,利用扩展有限元法（XFEM）在未预制裂纹条件下对棒料V型槽尖端裂纹起裂位置、起裂角和临界加载力的影响因素进行了分析。研究结果表明,棒料夹持力臂L1、加载力臂L2和棒料直径D对裂纹的起裂位置影响很小,起裂位置恒处于接近V型槽底角半径的1/2处;L1越大、L2越小和D越小,起裂角越小;给出合适的一节棒料加载参数L1为15mm、L2为30mm。（2）为了解决低应力下料中棒料起裂前后瞬间所需临界加载力的突变问题,提出把棒料断裂过程分为起裂和扩展两个阶段处理,分别借助XFEM和FRANC3D建立棒料起裂和扩展临界加载力的计算公式。提出了突变系数的概念,研究发现V型槽底角半径s对突变系数Fp0.2/Fci影响很大,在s=0.12mm时,不存在突变问题;在0.12mmp0.2/Fci急剧减小;棒料半径b和槽深d对Fp0.2/Fci的影响较小。（3）借助XFEM和Zheng-Hirt疲劳裂纹扩展速率公式,研究了切口偏心距e对棒料应力集中效应、裂纹扩展路径和寿命的影响。研究结果表明,在起裂阶段,偏心切口产生了二次应力集中效应,为棒料裂纹的起裂创造了更有利的条件;在裂纹扩展阶段,偏心切口有利于缩短棒料疲劳裂纹寿命;在名义切口偏心距为e/b=0.09的情况下,棒料的疲劳裂纹扩展寿命减小接近1/4。（4）基于对棒料断裂机理分析,对高速离心下料机进行了结构改进。设计了可以动态地改变棒料夹持力臂和加载力臂的可移动夹持机构和相应的液压控制系统。然后搭建了下料机试验平台,建立了下料机的控制系统,进行试验研究,验证了本文所提出的V型槽尖端起裂、加载曲线和偏心切口理论。本研究进一步揭示了低应力下料中棒料的断裂机理,为实现低应力精密下料奠定了理论基础。
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