第一章绪论

1.1论文的背景及意义
残余应力对结构材料的强度、疲劳寿命、抗应力腐烛性能和结构尺寸稳定性都有很大影响。振动时效（Vibratory Stress Relief，简称VSR)是消减工件残余应力的一种有效手段，是“锤击松弛法"（敲击时效）的发展⑴。在振动时效过程中，利用激振装置对含有残余应力的构件施以激励以使构件共振，利用构件振动时产生的动应力与构件残余应力叠加达到材料的屈服应力，使残佘应力松弛和释放从而达到时效目的[24]。振动时效是热处理的有益补充，可在很大范围内替热处理。振动时效与热时效方法相比，振动时效具有无污染、效率高、节约时间、能源、费用等特点，也是节能减排的一项重要措施，在避免热时效过程可能产生工件氧化、工件受热不均而导致裂变或在冷却过程中产生新.的应力等方面也具有益处，其与热时效法处理的比较如表1-1所示。出现这种现象由于是现有激振器的限制使大多数振动时效仅能处理具有较低固有频率的构件，无法在共振下对较高固有频率的构件进行时效处理，即使固有频率较低的构件也大多只能在构件一阶固有频率下进行时效处理。面对残余应力分布较复杂的构件，当通过构件残余应力分布规律及构件各阶振型产生相应的动应力分布规律的研究，获得较好消减残余应力的高阶振型。在该振型频率高于现有激振器频率的情况下，也无法在此振型下进行共振，更不要说激振频率甚至无法达到其一阶固有频率的构件。振动时效设备的这一缺陷使对构件残余应力分布、动应力分布的研究意义大打折扣，经常出现即使通过理论研究获得消减残余应力的振型，也无法在实践中达到该振型的共振频率。所以目前振动时效工艺参数的选择大多依靠操作者的经验、时效设备扫频自动选取等方式进行[5，6]。少数的会先期通过软件仿真获得构件残余应力分布情况，然后再通过软件仿真选取消减应力效果相对较好的支撑形式、激振频率等工艺参数进行振动时效[7]。缺乏对构件残余应力分布规律和在不同振型下时效产生的动应力进行深入研究，时效效果不明显，严重的限制了其推广运用[8，9]。
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1.2文献综述
由于振动时效具有无污染，效率高，节约时间、能源、费用等特点。所以20世纪50年代初在能源紧缺的情况下，西方工业国家加强了对振动时效机理和工艺的研究，该技术也成为了公认有效的消减残余应力方法，并开始逐步有振动时效装置投放于市场上。早期的研究主要集中在其时效的机理上，如振动时效的理论创始人，美国著名的物理学家J. W. Stratt,其研究的内容是从银击可以消减金属工件残余应力的实践出发，获得对金属工件施加循环激振力可以降低金属工件残余应力的结论[8]，70年代，Wozney和Crawmer[2]详细研究了钢的振动时效机理以及产生应力他的条件，并得出至今最为重要的振动时效条件“要减小残余应力，加载的动应力与残余应力的叠加要大于材料的屈服极限”。Lokshin铸招环在共振条件下施以循环应力加载，松弛效果达到70%。米谷茂研究发现由于金属在进行反复拉伸发生了一系列的塑性变形，从而很大程度上减小了金属内部的残佘弹性应变（若工件内原弹性应变为如，则经过若干次循环后，弹性应变依次变为eo-ererej……)，因为工件残余应力就是工件内部的残余弹性应变与弹性模量的乘积，故残余应力也会减小，从宏观上得出通过振动时效可使构件残余应力下降。房德磬从微观的角度进行研究，认为振动时效使工件残佘应力降低的机理是材料中塑性变形的发生与发展，本质上是位错间的作用以及与物质原子间的相互作用。Kwofie建立振动时效塑性模型用于对振动时效的模拟、说明以及其效果的评定的研究，并且提供了一种确定残余应力减小量的方法，残余应力的减小量可以看做是塑性模型中应变的变化量产生的对应值。
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第二章构件残余应力的分布规律

2.1引言
由振动时效理论可知实现消减残余应力的关键在于要满足：“振动时效过程中产生的动应力和残余应力之和应大于所振材料的屈服极限，且小于材料的疲劳极限”的条件。但由于构件各部位残余应力的大小各不相同，要想均匀的消减残余应力，必须先对构件残余应力的大小及分布规律进行分析，在此基础上获得振动时效时动应力分布规律，为时效工艺参数的选取提供理论依据。目前针对残余应力的研究主要主要集中在单道工序产生的残余应力，如邹仕辉[67]曾对洋火冷却热应力场的研究状况作了比较全面的总结。日本学者Ochiai等人应用边界元法对淬火过程导热问题和热应力进行了相关研究。日本的sasahara [71]利用弹塑性有限元法，忽略温度和应变速率的影响，模拟了低速连续切削时己加工工件表面的残余应力和应变。虽然黄志刚、王中秋’ 等人的研究中涉及到工件残留的残余应力对下一步加工的影响，而覃孟扬和许鸿昊等人的研究中也涉及到预应力对后续加工产生的残余应力的影响。但缺乏针对多道工序产生的残余应力如何叠加形成最终的残余应力的研究。
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2.2残余应力产生机理
残余应力是一种以平衡状态存在于物体内部的力，是固有应力域中局部内应力的一种。残余应力是一种不稳定的应力状态，当物体受到外力作用时，作用应力与残余应力相互作用，使其某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配；当外力作用去除后，整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。残余应力的产生是材料中发生了不均勻的弹性变形或不均勾的弹塑性变形的结果，或者说是材料的弹性各向异性和塑性各向异性的反映。因为内燃机工作过程中曲轴主要受力集中在轴颈，加之加工过程中切削加工的主要部位也是针对轴颈，所以曲轴轴颈是残余应力集中区域，也是受残余应力影响较大的区域，轴颈处残余应力的大小和分布情况将会直接影响曲轴的寿命。所以本文重点以曲轴轴颈处的残余应力消减为考量。
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第三章构件振动时效动力学特性.......... 40
3.1引言......... 40
3.2等温淬火曲轴振动动力学模型 .........40
3.2.1等温淬火曲轴力学模型的简化 .........40
3.2.2等温淬火曲轴的弯曲振动力学模型.........   42
3.2.3等温淬火曲轴单元 ......... 43
3.2.4等温淬火曲轴振动激励......... 49
3.3等温淬火曲轴振动时效振型分析......... 51
3.4 小结.........52
第四章非线性共振式振动时效方法的研究......... 54
4.1引言.........54
4.2非线性高频振动时效装置的设计原理......... 54
4.2.2非线性高频振动时效系统超谐共振原理 .........55
4.3装有工件的非线性超谐式振动时效......... 57
4.4小结......... 66
第五章非线性共振式振动时效的应用.........   67
5.1 引言......... 67
5.2等温淬火曲轴支撑装夹装置的设计......... 67
5.3等温淬火曲轴非线性高频振动时效系统.........   86
5.4激振力大小的选取......... 88
5.5等温淬火曲轴非线性动态方程的求解......... 89
5.6小结.........98

第六章非线性共振式振动时效试验平台的研制

6.1引言
为了能深入了解振动时效的效果和机理，许多专家学者采用了多种实验方法对其研究对象的振动时效情况进行了深入的研究。有浙江大学何闻教授所带领的团队，采用电磁激振器，对工件的高频局部振动时效进行研究。熊卫民通过自制设备对锅合金厚板进行振动时效实验研究。孙晓燕、韩衍昭，通过实验研究了振动时效工艺参数对时效对象的影响这些工作对本文的实验起到了一定的指导作用。为了探明等温萍火曲轴非线性振动时效的动力学特性、振动时效效果，及之前所建立的数学模型和仿真模型的正确性，本章利用第5章建立的等温萍火曲轴非线性共振式振动时效系统进行相关实验研究，实验内容是由广西大学和广西神华振动时效研究所联合完成。由于条件限制，无法按照理论设置中可以随意选取非线性弹簧，只能釆用市面上能买到的现成的非线性弹篑进行实验，通过调整激振块质量来实现激振频率的小范围可调。

本文以无法采用热时效方式处理的等温萍火曲轴为研究对象，首先选取了等温萍火和切削加工两道工序为研究重点，建立这两道工序产生的热弹塑性模型，分析其残余应力产生的情况。然后运用应力叠加原理分析两道工序的应力叠加情况，并通过理论和实验证明了该叠加方法的正确性，从而获得等温萍火曲轴主要残余应力的分布情况。针对等温萍火曲轴残余应力的分布，利用非线性振动能产生超谐共振的效果，提出了针对等温萍火曲轴的非线性共振式振动时效装置的设计方法。为了验证该方法的可行性，通过建立等温洋火曲轴非线性共振式振动时效装置的运动学模型，通过理论和实验分析证明了该方案可将原惯性式激振器所产生的振动频率放大到原来的两至三倍，有助于解决现有惯性式激振器低激振频率的问题，为振动时效的运用提供了新的方法。
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参考文献（略）