Влияние переменного модуля юнга на остаточные напряжения, вызванные ротационным автофретированием полого цилиндра с закрепленными торцами

Влияние переменного модуля юнга на остаточные напряжения, вызванные ротационным автофретированием полого цилиндра с закрепленными торцами

Автор: Прокудин А.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2023 года.

Бесплатный доступ

Технология автофретирования предназначена для упрочнения полых деталей цилиндрической и сферической формы и обычно состоит из одного цикла нагрузки-разгрузки. На первой стадии заготовка нагружается с тем расчетом, чтобы некоторая ее часть перешла в пластическое состояние. В ходе разгрузки в окрестности внутренней поверхности заготовки формируется поле остаточных сжимающих напряжений. Настоящая работа посвящена теоретическому исследованию процесса ротационного автофретирования полой цилиндрической заготовки с закрепленными торцами. Постановка задачи основана на теории малых упругопластических деформаций, условии пластичности Треска и ассоциированном с ним законе течения. Предполагается, что на стадии нагрузки материал цилиндра следует линейно-экспоненциальному закону изотропного упрочнения, а при разгрузке ведет себя как чисто упругое тело. Исследуется эффект снижения модуля Юнга при разгрузке в результате предварительного пластического деформирования и его влияние на остаточные напряжения, вызванные ротационным автофретированием цилиндра. Для количественного описания падения модуля Юнга используется экспоненциальная модель с насыщением. Для стадии нагрузки получено точное аналитическое решение на основе W -функции Ламберта. Расчет остаточных напряжений в цилиндре осуществляется с помощью метода Рунге - Кутты. В качестве примера рассмотрены материалы, у которых достаточно ярко выражено падение модуля Юнга: алюминиевый сплав AA6022, сталь DP980 и марганцевая сталь. Установлено, что учет переменного модуля Юнга может приводить к существенному снижению расчетного уровня остаточных напряжений. Данный эффект особенно важен для расчета толстостенных цилиндров и достаточно высоких скоростей автофретирования.

Еще

Ротационное автофретирование, упругопластичность, модуль юнга при разгрузке, изотропное упрочнение, неоднородный материал

Короткий адрес: https://sciup.org/146282817

IDR: 146282817   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.09

Список литературы Влияние переменного модуля юнга на остаточные напряжения, вызванные ротационным автофретированием полого цилиндра с закрепленными торцами

  • Jacob L. La Résistance et L'équilibre Élastique des Tubes Frettés // Memorial de L'artillerie Navale. - 1907. - Vol. 1. - Р. 43155.
  • Kamal S.M., Dixit U.S. Feasibility study of thermal autof-rettage of thick-walled cylinders // J. Pressure Vessel Technol. - 2015. - Vol. 137, no. 6. - P. 061207. DOI: 10.1115/1.4030025
  • The residual stress and its influence on the fatigue strength induced by explosive autofrettage / R. Zhan, C. Tao, L. Han, Y. Huang, D. Han // Explos. Shock Waves. - 2005. - Vol. 25, no. 3. - P. 239243. DOI: 10.11883/1001-1455(2005)03-0239-05
  • New approach to the autofrettage of high-strength cylinders / T.E. Davidson, C.S. Barton, A.N. Reiner, D.P. Kendall // Exp. Mech. -1962. - Vol. 2, no. 2. - P. 33-40. DOI: 10.1007/BF02325691
  • Shufen R., Dixit U.S. A finite element method study of combined hydraulic and thermal autofrettage process // J. Pressure Vessel Technol. - 2017. - Vol. 139, no. 4. - P. 041204. DOI: 10.1115/1.4036143
  • Shufen R., Dixit U.S. Generating compressive surface residual stresses using hydraulic autofrettage process with heat treatment // J. Pressure Vessel Technol. - 2021. - Vol. 143, No. 5. -051301. doi:10.1115/1.4050090
  • Shufen R., Dixit U.S. A review of theoretical and experimental research on various autofrettage processes // J. Pressure Vessel Technol. - 2018. - Vol. 140, no. 5. - P. 050802. DOI: 10.1115/1.4039206
  • Dixit U.S., Kamal S.M., Shufen R. Autofrettage processes: technology and modelling. - Boca Raton: CRC Press, 2019. - 276 p.
  • Zare H.R., Darijani H. A novel autofrettage method for strengthening and design of thick-walled cylinders // Mater. Des. - 2016. - Vol. 105. - P. 366-374. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.05.062
  • Zare H.R., Darijani H. Strengthening and design of the linear hardening thick-walled cylinders using the new method of rotational autofrettage // Int. J. Mech. Sci. - 2017. - Vol. 124-125. -P. 1-8. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.02.015
  • Kamal S.M., Perl M., Bharali D. Generalized plane strain study of rotational autofrettage of thick-walled cylinders-Part I: Theoretical analysis // J. Pressure Vessel Technol. - 2019. -Vol. 141, no. 5. - P. 051201. DOI: 10.1115/1.4043591
  • Kamal S.M., Perl M. Generalized plane strain study of rotational autofrettage of thick-walled cylinders-Part II: Numerical evaluation // J. Pressure Vessel Technol. - 2019. - Vol. 141, no. 5. - P. 051202. DOI: 10.1115/1.4044173
  • Kamal S.M. Analysis of residual stress in the rotational autofrettage of thick-walled disks // J. Pressure Vessel Technol. - 2018. - Vol. 140, no. 6. - P. 061402. DOI: 10.1115/1.4041339
  • Kamal S.M., Kulsum R. Parametric study of axisymmet-ric circular disk subjected to rotational autofrettage // Lecture Notes on Multidisciplinary Industrial Engineering. - Singapore: Springer, 2019. - P. 997-1009.
  • Kamal S.M. Estimation of optimum rotational speed for rotational autofrettage of disks incorporating Bauschinger effect // Mech. Based Des. Struct. Mach. - 2022. - Vol. 50, no. 7. - P. 25352554. DOI: 10.1080/15397734.2020.1780608
  • Kamal S.M., Dixit U.S. Design of a disk-mandrel assembly for achieving rotational autofrettage in the disk // Proc. Inst. Mech. Eng., Part C. - 2021. - Vol. 235, no. 13. - P. 2452-2467. DOI: 10.1177/0954406220954890
  • Shufen R., Dixit U.S. Effect of length in rotational autofrettage of long cylinders with free ends // Proc. Inst. Mech. Eng., Part C. - 2022. - Vol. 236, no. 6. - P. 2981-2994. DOI: 10.1177/09544062211034205
  • Akhavanfar S., Darijani H., Darijani F. Constitutive modeling of high strength steels; application to the analytically strengthening of thick-walled tubes using the rotational autofrettage // Eng. Struct. -2023. - Vol. 278. - P. 115516. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.115516
  • Morestin F., Boivin M. On the necessity of taking into account the variation in the Young modulus with plastic strain in elastic-plastic software // Nucl. Eng. Des. - 1996. - Vol. 162, no. 1. -P. 107-116. DOI: 10.1016/0029-5493(95)01123-4
  • Yamaguchi K., Adachi H., Takakura N. Effects of plastic strain and strain path on Young's modulus of sheet metals // Met. Mater. -1998. - Vol. 4, no. 3. - P. 420-425. DOI: 10.1007/BF03187802
  • Experimental data, numerical fit and fatigue life calculations relating to the Bauschinger effect in high strength armament steels / E. Troiano, A.P. Parker, J. Underwood, C. Mossey // J. Pressure Vessel Technol. - 2003. - Vol. 125, no. 3. - P. 330-334. DOI: 10.1115/1.1593072
  • Yoshida F., Uemori T., Fujiwara K. Elastic-plastic behavior of steel sheets under in-plane cyclic tension-compression at large strain // Int. J. Plast. - 2002. - Vol. 18, no. 5. - P. 633-659. DOI: 10.1016/S0749-6419(01)00049-3
  • Yu H.Y. Variation of elastic modulus during plastic deformation and its influence on springback // Mater. Des. - 2009. -Vol. 30, no. 3. - P. 846-850. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.05.064
  • Eggertsen P.-A., Mattiasson K., Hertzman J. A phenome-nological model for the hysteresis behavior of metal sheets subjected to unloading/reloading cycles // J. Manuf. Sci. Eng. -2011. - Vol. 133, no. 6. - P. 061021. DOI: 10.1115/1.4004590
  • Fei D., Hodgson P. Experimental and numerical studies of springback in air v-bending process for cold rolled TRIP steels // Nucl. Eng. Des. - 2006. - Vol. 236, no. 18. - P. 1847-1851. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2006.01.016
  • Hu Z., Parker A.P. Implementation and validation of true material constitutive model for accurate modeling of thick-walled cylinder swage autofrettage // Int. J. Pressure Vessels Piping. -2021. - Vol. 191. - P. 104378. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2021.104378
  • Zang S., Lee M., Hoon Kim J. Evaluating the significance of hardening behavior and unloading modulus under strain reversal in sheet springback prediction // Int. J. Mech. Sci. - 2013. -Vol. 77. - P. 194-204. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2013.09.033
  • Kubli W., Krasovskyy A., Sester M. Modeling of reverse loading effects including workhardening stagnation and early replastification // Int. J. Mater. Form. - 2008. - Vol. 1, no. 1. - P. 145148. DOI: 10.1007/s12289-008-0012-5
  • Eggertsen P.-A., Mattiasson K. On the modelling of the bending-unbending behaviour for accurate springback predictions // Int. J. Mech. Sci. - 2009. - Vol. 51, no. 7. - P. 547-563. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2009.05.007
  • Chatti S., Hermi N. The effect of non-linear recovery on springback prediction // Comput. Struct. - 2011. - Vol. 89, no. 13. - P. 1367-1377. DOI: 10.1016/j.compstruc.2011.03.010
  • Wagoner R.H., Lim H., Lee M.-G. Advanced Issues in springback // Int. J. Plast. - 2013. - Vol. 45. - P. 3-20. DOI: 10.1016/j.ijplas.2012.08.006
  • Springback prediction of multiple reciprocating bending based on different hardening models / Q. Meng, J. Zhao, Z. Mu, R. Zhai, G. Yu // J. Manuf. Process. - 2022. - Vol. 76. - P. 251-263. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.01.070
  • Huang X., Moan T. Residual stress in an autofrettaged tube taking Bauschinger effect as a function of the prior plastic strain // J. Pressure Vessel Technol. - 2009. - Vol. 131, no. 2. -P. 021207. DOI: 10.1115/1.3062937
  • Hu Z., Parker A.P. Use of a true material constitutive model for stress analysis of a swage autofrettaged tube including ASME code comparison // J. Pressure Vessel Technol. - 2022. -Vol. 144, no. 2. - P. 024502. DOI: 10.1115/1.4051688
  • Voce E. The relationship between stress and strain for homogeneous deformation // J. Inst. Met. - 1948. - Vol. 74. - P. 537-562.
  • Zhang C., Wang B. Identification of the hardening behavior of solids described by three-parameter Voce law using spherical indentation // J. Mater. Res. - 2012. - Vol. 27, no. 20. - P. 26242629. DOI: 10.1557/jmr.2012.253
  • On the study of mystical materials identified by indentation on power law and Voce hardening solids / L. Meng, P. Breitkopf, B. Raghavan, G. Mauvoisin, O. Bartier, X. Hernot // Int. J. Mater. Form. - 2019. - Vol. 12, no. 4. - P. 587-602. DOI: 10.1007/s12289-018-1436-1
  • Sun L., Wagoner R.H. Complex unloading behavior: Nature of the deformation and its consistent constitutive representation // Int. J. Plast. - 2011. - Vol. 27, no. 7. - P. 1126-1144. DOI: 10.1016/j.ijplas.2010.12.003
  • Yoshida F., Amaishi T. Model for description of nonlinear unloading-reloading stress-strain response with special reference to plastic-strain dependent chord modulus // Int. J. Plast. - 2020. -Vol. 130. - P. 102708. DOI: 10.1016/j.ijplas.2020.102708
  • Yoshida F. Description of elastic-plastic stress-strain transition in cyclic plasticity and its effect on springback prediction // Int. J. Mater. Form. - 2022. - Vol. 15, no. 2. - P. 12. DOI: 10.1007/s12289-022-01651-1
  • Gamer U., Lance R.H. Stress distribution in a rotating elastic-plastic tube // Acta Mech. - 1983. - Vol. 50, no. 1-2. - P. 18. DOI: 10.1007/BF01170437
  • NIST Handbook of mathematical functions / F.W. Olver, D.W. Lozier, R.F. Boisvert, C.W. Clark. - Cambridge: Cambridge University Press, 2010. - 966 p.
  • On the LambertW function / R.M. Corless, G.H. Gonnet, D.E.G. Hare, D.J. Jeffrey, D.E. Knuth // Adv. Comput. Math. -1996. - Vol. 5, no. 1. - P. 329-359. DOI: 10.1007/BF02124750
  • Ghaei A., Green D.E. Numerical implementation of Yo-shida-Uemori two-surface plasticity model using a fully implicit integration scheme // Comput. Mater. Sci. - 2010. - Vol. 48, no. 1. -P. 195-205. DOI: 10.1016/j.commatsci.2009.12.028
  • Analysis of springback for multiple bending considering nonlinear unloading-reloading behavior, stress inheritance and Bauschinger effect / Q. Meng, R. Zhai, Y. Zhang, P. Fu, J. Zhao // J. Mater. Process. Technol. - 2022. - Vol. 307. - P. 117657. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2022.117657
  • Prediction of bending springback of the medium-Mn steel considering elastic modulus attenuation / Y. Chang, N. Wang, B.T. Wang, X.D. Li, C.Y. Wang, K.M. Zhao, H. Dong // J. Manuf. Process. - 2021. - Vol. 67. - P. 345-355. DOI: 10.1016/j.jmapro .2021.04.074
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp