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南京聚航科技有限公司
主營產(chǎn)品： 振動時效設(shè)備，殘余應(yīng)力檢測儀，應(yīng)力應(yīng)變測量，殘余應(yīng)力消除設(shè)備 |
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主營產(chǎn)品： 振動時效設(shè)備，殘余應(yīng)力檢測儀，應(yīng)力應(yīng)變測量，殘余應(yīng)力消除設(shè)備 |
2022-6-15 閱讀(434)
鑄鐵缸體是發(fā)動機的骨架，所有的部件都是安裝在上面。其受力情況很復雜，除了承受所有零部件重量以及缸蓋螺栓緊固力產(chǎn)生的靜載荷外，其內(nèi)部還存有鑄件冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當缸體承受外力時，殘余應(yīng)力與其相互作用，從而改變缸體實際受到的應(yīng)力大小，當局部應(yīng)力疊加超過材料強度極*，可能導致缸體的變形甚至開裂。因此，發(fā)動機缸體內(nèi)部殘余應(yīng)力的測試和分析成為了*的重要工作。
殘余應(yīng)力測試方法有很多種，但由于缸體結(jié)構(gòu)復雜、體積大、重量大、表面存在氧化層和鑄造殘沙，所以x射線法不適用。小孔法主要用來測試物體的表面殘余應(yīng)力，所以也不適用。而切割法可以*測量內(nèi)部殘余應(yīng)力，并且對構(gòu)件尺寸沒有要求，因此切割法更適合發(fā)動機缸體的殘余應(yīng)力測試。
本文選取缸體氣缸底座四個典型位置作為測試點，主要測試缸體未時效和時效熱處理兩種狀態(tài)下的殘余應(yīng)力，然后根據(jù)力學公式計算出相應(yīng)的殘余應(yīng)力大小，為缸體的系統(tǒng)受力分析提供了依據(jù)。
殘余應(yīng)力測試方法
測試位置選取
在缸體的很多位置同時使用應(yīng)變片測量殘余應(yīng)力是不現(xiàn)實的，只能針對性的選擇幾個典型位置。應(yīng)變測試點的選取原則應(yīng)遵循以下幾點；1.理論計算的高應(yīng)力區(qū)和實際發(fā)生開裂的部位；2缸體實施減重部位；3進一步優(yōu)化設(shè)計關(guān)注的部位。根據(jù)以上原則，選取氣缸底座的圓弧表面作為測試點。試驗中選取中間兩個腔體，共四個點。
應(yīng)變片粘貼、橋路連接
應(yīng)變片采用聚航科技的泊式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.10.
采用惠斯通電橋中的半橋接法，將四個測點的應(yīng)變片和補償應(yīng)變片分別連接到應(yīng)變儀的4個通道，形成4個半橋橋路。
缸體切割
切割前，固定導線，確保導線不妨礙切割或發(fā)生移動。每次切割前平衡橋路。
殘余應(yīng)力測試計算
殘余應(yīng)變=-（釋放的應(yīng)變量-初始應(yīng)變量）
由于每次切割前都對橋路進行過平衡，所以初始應(yīng)變量記為0，釋放的應(yīng)變量由應(yīng)變儀測得。將每次切割后測得的應(yīng)變值求和，即得到各個測點所釋放的殘余應(yīng)變總量。
根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)成應(yīng)力。缸體腔體測點處材料處于平面應(yīng)變的二向應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)廣義胡克定律，此方向的應(yīng)力可按下式計算：
式中E-材料彈性模量
μ-材料泊松比
本文缸體使用材料為HT250，其彈性模量為120CPa，泊松比為0.3.根據(jù)該公式計算得出各測試點的殘余應(yīng)力大小。
數(shù)據(jù)分析與討論
減少測量誤差的方法
為了保證測試結(jié)果的準確性，在測試前和測試過程中，采取了一系列措施，以避免或減少環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響。
每個測試點的應(yīng)變片會因溫度的影響而發(fā)生一定的變化量。為了消除這種影響，采用與被測材料相同的物體作為補償塊，并在補償塊上粘貼與被測構(gòu)件相同的等效應(yīng)變片。補償塊不受荷載作用，只感受環(huán)境溫度的變化，利用惠斯通電橋相鄰兩臂上的電阻由于溫度引起的應(yīng)變變化相互抵消，以消除溫度對測試結(jié)果的影響。
機械切割產(chǎn)生的熱量會使缸體測試部位溫度升高，導致測試結(jié)果漂移。因此，每次切割后和讀取數(shù)據(jù)之前，需等缸體冷卻到切割前的溫度。
導線電阻是影響測量結(jié)果的因素之一。研究表明，應(yīng)變儀測得的應(yīng)變會隨著導線電阻的增加而減小。一般來說，當導線長度小于10m時，導線電阻的影響可以忽略。本次測試使用的導線小于1m，所以可以忽略其影響。測試前固定導線，在切割以及測試過程中，不要移動導線，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
實驗結(jié)果與分析
由表1可以看出，在第1、2、3次切割時4個測試點發(fā)生了較大的應(yīng)變變化，第4次切割后，各測試點幾乎不變。此時，測試點1被切離缸體，后續(xù)切割應(yīng)變變化都為零。第5次切割在測試點3處。切割完成后，測試點3、2和4都有明顯的應(yīng)變釋放，其中測試點2和4變化*大。第6次切割后，測試點3被切離缸體，測試點3、2和4無應(yīng)變變化。第7次切割后，測試點2、4有一定的應(yīng)變釋放。第8次切割后，測試點2、4基本上沒有應(yīng)變釋放，測試點2也被切離缸體。第10次切割后，測試點4被切離缸體，只有少量殘余應(yīng)變，大部分殘余應(yīng)變已在第9次切割中釋放殆盡。綜上所述，在每個測試點從切離缸體的*后一次切割為殘余應(yīng)變釋放主要釋放時刻，從切離缸體后沒有應(yīng)變釋放。
由表2可以看出，未進行時效的缸體，在測試點1和3處有殘余壓應(yīng)力，在測試點2和4處有較大的殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力明顯大于殘余壓應(yīng)力。本文中缸體材料的抗拉強度為270MPa、測試點2和4處的殘余應(yīng)力分別達到238、243MPa。接近材料的抗拉強度。所以測試點2和4是缸體危險點，容易發(fā)生變形和開裂。與未時效的缸體相比，經(jīng)時效熱處理缸體各測試點殘余應(yīng)力平均值降到21MPa。
結(jié)論
1. 采用切割法對發(fā)動機缸體內(nèi)部進行殘余應(yīng)力測試，實驗方法簡單，結(jié)果可靠，為缸體安全受力分析提供了依據(jù)。
2. 缸體鑄造毛坯內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，如果*大殘余應(yīng)力接近材料的強度極限，則存在變形和開裂的危險，需要進行應(yīng)力處理。
