描述不锈钢材料单轴棘轮行为的一元参量体系
210988698_Abdel_-_Karim_-_Ohno_模型改进及Z2CDN18_12N_不锈

loading history had great influence on the ratcheting behavior. Comparison of the prediction results
Abdel - Karim - Ohno 模型改进及 Z2CDN18.12N
不锈钢棘轮效应预测
陈小辉ꎬ 刘明月ꎬ 刘世纪ꎬ 田育松
( 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院ꎬ 河北 秦皇岛 066004)
摘 要: 为更好地描述Z2CDN18.12N奥氏体不锈钢的单轴棘轮行为ꎬ 在统一黏塑性循环本构理论框架
isotropic hardening ruleꎬ the model parameters were determined. Furtherꎬ the Abdel ̄Karim ̄Ohno
model and the improved Abdel ̄Karim ̄Ohno model were used to predict the uniaxial ratcheting
性. McDowell
[6]
讨论了应力率对轨道用钢棘轮
ε̇p =
现 象 的 影 响ꎻ 在 室 温 下ꎬ Shi 等 [7] 通 过 大 量 的
1Cr18Ni9Ti 不锈钢单轴棘轮实验ꎬ研究了应力率
对 其 棘 轮 应 变 的 影 响. 在 650 ℃ 下ꎬ Lissenden
等 [8] 发现 TIMETAL21S 钛合金在应力循环实验
ε̇T 为热应变率张量ꎻC 为弹性矩阵ꎻṪ 为相对于参
【2017年整理】棘轮机构85569

【2017年整理】棘轮机构85569 棘轮机构含有棘轮和棘爪的主动件作往复运动,从动件作步进运动的机构。
棘轮机构示意图棘轮机构(ratchet and pawl),由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。
棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上,也常用在千斤顶上。
在自行车中棘轮机构用于单向驱动,在手动绞车中棘轮机构常用以防止逆转。
棘轮机构工作时常伴有噪声和振动,因此它的工作频率不能过高。
棘轮机构简介棘轮机构将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。
棘轮轮齿通常用单向齿,棘爪铰接于摇杆上,当摇杆逆时针方向摆动时,驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动;当摇杆顺时针方向摆动时,棘爪在棘轮上滑过,棘轮停止转动。
为了确保棘轮不反转,常在固定构件上加装止逆棘爪。
摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构、齿轮机构和摆动油缸等实现,在传递很小动力时,也有用电磁铁直接驱动棘爪的。
棘轮每次转过的角度称为动程。
动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节,也可以在运转过程中加以调节。
如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的角度,可应用多棘爪棘轮机构。
棘轮机构的基本型式和工作原理图示为机械中常用的外啮合式棘轮机构,它由主动摆杆,棘爪,棘轮、止回棘爪和机架组成。
主动件空套在与棘轮固连的从动轴上,并与驱动棘爪用转动副相联。
当主动件顺时针方向摆动时,驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中,使棘轮跟着转过一定角度,此时,止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。
当主动件逆时针方向转动时,止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动,而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过,所以,这时棘轮静止不动。
因此,当主动件作连续的往复摆动时,棘轮作单向的间歇运动。
棘轮机构的分类棘轮机构的分类方式有以下几种:按结构形式分类棘轮机构按结构形式分类可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。
齿式棘轮机构结构简单,制造方便;动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。
该机构的缺点是动程只能作有级调节;噪音、冲击和磨损较大,故不宜用于高速。
棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究

第27卷 第6期2007年12月航 空 材 料 学 报J OURNA L O F A ERONAU T ICAL MAT ER I AL SV o l 127,N o 16 D ecember 2007棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究徐尹杰1,2, 蔡力勋1(11西南交通大学应用力学与工程系,成都610031;21中国测试技术研究院,成都610021)摘要:针对316L 不锈钢进行大量单轴棘轮和蠕变试验研究,对材料在棘轮和蠕变作用下的塑性变形行为以及变形量进行比较和分析。
分析发现,材料棘轮和蠕变变形行为之间存在一些相似规律,而且相同试验时间下蠕变变形高于棘轮变形。
在持续应力作用下,材料的附加塑性变形与作用应力间体现出上凸的抛物线规律,附加塑性变形先随应力的增长而升高,达到峰值后又逐渐减小。
最后,根据这种上凸的抛物线规律提出相应的本构描述方程。
关键词:棘轮;蠕变;附加塑性变形;316L 不锈钢中图分类号:TG113125+5;V 21515+5 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2007)06-0011-05收稿日期:2006-11-28;修订日期:2007-03-23基金项目:国家自然科学基金(10372086)作者简介:徐尹杰(1981)),男,硕士研究生,(E -ma il)b i ng -gu i xu @1631co m 。
材料在循环载荷作用下产生的塑性变形逐渐累积现象称为棘轮效应(Ratchet effects)。
在棘轮现象被揭示的20多年里,大量的专家学者对棘轮效应进行了深入研究,逐步认清了棘轮现象的本质[1~4]。
近年来,将注意力转向棘轮与蠕变间相互联系的研究[5~8],得到一些有意义的发现。
在试验基础上,本工作从新的角度(附加塑性应变)对棘轮和蠕变问题进行研究分析,发现了一些新规律。
1 试验条件、设备以及应变定义和应力循环参数实验设备为美国MTS809(25kN )电液伺服材料试验系统,借助TestStar Ò软件平台790110以及自行开发的试验软件完成试验的闭环控制和数据采集。
316L奥氏体不锈钢疲劳特性分析

316L奥氏体不锈钢疲劳特性分析摘要:本文针对316L奥氏体不锈钢的疲劳特性进行分析,总结了材料棘轮效应在不同应力幅、不同平均应力、不同加载历史下的变化规律,结果表明,随着平均应力和应力幅的升高,材料的初始棘轮应变累积水平快速升高。
分析材料循环特性的幅值依赖特性、温度相关特性、加载历史特性。
各研究表明,材料的循环硬化程度随应变幅值的升高而升高,循环软化程度则呈减小趋势,温度的升高会降低材料的峰值应力水平。
关键词:316L不锈钢;棘轮效应;循环特性;疲劳断裂;GUO Chaoyue, SUN Mengying, LIU Zhuang, LI Zhuoqun,(Shenyang University of Chemical Technology,School of Mechanical and Power Engineering, 110142 Shenyang, China)Abstract: This paper analyzes the fatigue characteristics of 316L austenitic stainless steel, summarizes the variation of the ratchet effect under different stress amplitudes, different average stresses and different loading history, and shows that the initial ratchet strain accumulation level of the material increases rapidly with the increase of average stress and stress amplitude. Analyze the amplitude-dependent characteristics, temperature-dependent characteristics, and loading history characteristics of material cycling properties. The results show that the degree of cyclic hardening of the material increases with the increase of the strain amplitude, the degree of cyclic softening tends to decrease, and the increase of temperature will reduce the peak stress level of the material.Keywords: 316L stainless steel; ratchet effect; cycling characteristics; fatigue fracture;0 引言316L不锈钢是典型的奥氏体不锈钢,因其具有良好的韧性、塑性、焊接性以及耐腐蚀性能等,广泛应用于化工、石油、核电等领域中的设备中[1]。
Chaboche本构模型应用与研究进展

Chaboche本构模型应用与研究进展王德山 王艳红 周玉鑫陆军军事交通学院 天津 300000摘 要 Chaboche模型是一种基于运动强化、各向同性强化和时间恢复效应描述循环硬化、软化,以及热恢复的统一黏塑性模型。
它的提出主要是为了解决循环载荷作用下结构的非弹性分析。
本文概述了Chaboche模型的原始表达式及近年来的应用现状,并依次对模型改进、算法选择、参数确定与优化等应用中的热点问题的研究现状进行了分析介绍。
关键词 Chaboche;本构模型;循环硬化;模型参数Application and Research Progress of Chaboche Constitutive ModelWang De-shan, Wang Yan-hong, Zhou Yu-xinArmy Military Transportation University, Tianjin 300000, ChinaAbstract Chaboche model is a unified viscoplastic model based on kinematic strengthening, isotropic hardening and time recovery effects to describe cyclic hardening, softening, and thermal recovery. It is proposed for inelastic analysis to mainly solve the structures under cyclic loading. This paper summarizes the original expression of Chaboche model and its application status in recent years, and analyzes and introduces the research status of hot issues in the application of model improvement, algorithm selection, parameter determination and optimization.Key words Chaboche; constitutive model; cyclic hardening; model parameters引言本构模型就是一系列的数学表达式,其中蕴含了材料的各种力学特性,具体就是描述变形参量与内力参量之间的关系。
一个粘塑性本构模型的实现

ε =
3 σv 2 K
s−α s−α
n
N
(1-8)
N=
(1-9)
N 为屈服面的法线方向,它给出了塑性流动的方向。
1.1.2 随动硬化律
1993 年,Ohno 和 Wang 提出了一种叠加多个 A‐F 硬化律的模型,并且假设 每一个硬化律都有各自的关键状态,当各个背应力分量的数值达到其关键状态 时,硬化律中的动态恢复项才能完全起作用,而在此之前按照完全不起作用和部 分起作用可将 O‐W 模型分为两种形式[35,36],起初的形式为: (I)
λ=
•
σv
Kห้องสมุดไป่ตู้
n
(1-7)
式中 K 表示拖拽应力常数, n 表示粘性指数,<>为McCauley括号,其含义为 当x≦0时, <x>=0;当x﹥0时,<x>=x。当加载点在屈服面以内时,材料处于弹性 变形阶段,此时粘性力等于零。当加载点超过屈服面以后,粘性力大于零,此时 材料会发生非弹性的粘塑性变形。 对屈服面方程求导并代入流动律方程,可得:
M ⎡2 ⎤ α α = ∑ α i , dα i = γ i ⎢ ri dε p - H( f i ) d ε p : i α i ⎥ αi 1 ⎢ ⎥ ⎣3 ⎦
(1‐10)
关键状态方程为:
f i = α i - ri 2 = 0
(1‐11)
其中:α i 为背应力分量,α i 是背应力分量的模量, 且 a i = 3 / 2α i : α i , f i 代 表每一个背应力分量的关键状态,γ i , ri ( i = 1 ~ M )是 O‐W 模型的材料参数, 可 由单轴的拉伸曲线求得, 公式(1‐10)中的 H 代表 Heaviside’s 函数。在 O‐W(I) 模 型中,每一个动态恢复项在达到其关键状态( f i = 0 )之前都不起作用,也就是说, 在
304不锈钢高温非比例多轴棘轮行为实验研究

由实 验结 果 图 1 见 : 可
2 实验条件
实 验 材 料 为3 4 锈 钢 ;其 主 要 成 分 、试样 0不
收 稿 E期 :2 0 -4 1 :修 回 E 期 :2 0 -4 1 l 0 50 明显的温度依 1 4 3 赖 性 。30C ,材料 的 棘轮 行 为表 现 为瞬 态型 。 5  ̄时
采用了单轴 、 直线 、 菱形 、 圆形和蝶形5 种加载路
径f 】 1。 5
本文轴 向棘 轮应变 和扭 向等效棘轮应变 分别定义为
1
= ・
件 ,如快中子增殖堆燃料元件 、压力容器及管道 等 ,在高温及反复受载的环境 中工作 , 会有棘轮 效应 产生 。 由于棘 轮 应变 是一 种 二次 变形 的累 积 , 要 想 准确 地 预测 并 防止 它 的产生 是非 常 困难 的 。 近年来 ,为了建立能较精确地估计结构高温下循 环 累积 变形 的本构 模 型 , 国内外 学 者对 此 进行 了 不少 实 验研 究 【9, 在此 基础 上提 出 了一 些 描述 lj并  ̄ 棘 轮效 应 的本 构模 型 【 ̄ 。然 而 ,已有 的研 究 大 1 】 o
O
m
m
抑制后续较小 平均应力 下的循环棘 轮应变 的产 m 生 。这 是 因为 经过 较 大平 均应 力 的应 力循 环 后 , 材料 内部 的位 错 密度 升高 ,位错 组 态也 逐渐 变 成
较 为稳定 的位错胞 状 结构 ,变 形 阻力增 大 ,从 而 抑 制 了后续 较小 平 均应 力 的应 力 循环 下棘 轮应 变
3 单轴棘轮行为研 究
为 了讨 论 平 均 应 力 及 其 历 史 对 单 轴 棘 轮 行 为的影 响 ,进 行 了如 下加 载 历史 下 的实 验研 究 : ()5 C : 3 .+ .(0 c 一 7 . . 1 0o 3 98 1 9 1 0 ) 14 9 +19 6 14 (0 c-3 .+ .MP (0) 10)- 98 194 a 5c。C表示循 环 周 次 , -  ̄ l
不锈钢的物理化学机械特性一览表

≤0.15
0Cr18Ni9
பைடு நூலகம்≤0.07
00Cr19Ni10
≤0.030
0Cr19Ni9N
≤0.08
0Cr18Ni10NbN ≤0.08
00Cr18Ni10N
≤0.030
1Cr18Ni12
≤0.12
0Cr23Ni13
≤0.08
0Cr25Ni20
≤0.08
0Cr17Ni12Mo2 ≤0.08
1Cr18Ni12Mo2Ti6) ≤0.12
-
-
≤0.035 ≤0.030 8.50-10.50 17.00-19.00 -
3.00-4.00 -
≤0.035 ≤0.030 11.50-15.00 15.00-20.00 -
-
-
≤0.035 ≤0.030 3.00-6.00 23.00-28.00 1.00-3.00 -
-
奥氏 体| 1Cr18Ni11Si4AlTi 0.10-0.18 3.40-4.00 ≤0.80 ≤0.035 ≤0.030 10.--120.. 17.50-19.50 -
-
-
铁素体型
00Cr18Ni5MoSi2 ≤0.030 1.30-2.00 1.00-2.00 ≤0.035 ≤0.030 4.50-5.50 18.00-19.50 2.50-3.00 -
-
Ti5(C%-0.02)~0.08 Ti5*C%-0.70 Ti5(C%-0.02)~0.08 Ti≥5*C% Nb≥10*C% 2) 2) Al 0.10-0.30; Ti 0.40-0.70
1Cr17Ni2
7Cr17
8Cr17
9Cr18
11Cr17
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t va - (p为峰值应力, 、为谷值应力)加载速率为 +a , , 2 0MP / . 0 a s 若单试样只接受单独工况 士 ( 为均
值应力, 为幅值应力)的循环加载,则称该加载工况
为独 立 加载工 况. 2给 出了两种 材料 试样 在常温 下 的独 表
立 加载 工况 .
棘轮 应变 E 满足
累积称为棘轮变形 ( th tigd fr t n .当棘轮 r c et e mai ) a n o o
变形 量达 到等量 循环增 加 的畸变 状 态时 , 以及 当棘轮 变形
E = , , , N,, ( , 0) ) (
() 1
达到高塑性量的循环饱和状态时, 棘轮塑性累积可导致构
室开放基金 5 4 1 7 1 1 18 0 0 0 QT2 0 2 1资助项 目
收到 初 稿 日期 :2 0 — 0 1 收 到 修 改稿 日期 : 2 0 — 2 2 0 1 1 — 8, 0 20— 3
o , ,r 谷应力)、 p峰应力)以及 N, , , 对棘 r o ( a v ( 0 ) (
件尺 寸超 标或破 坏失效 . 棘轮 行 为给结 构安 全设 计带 来严
峻挑 战, 已经 引起 国 内外学 者和 工程 界的 广泛重 视. 十几 近
由于制 约 因素 的复杂性 , 研究 人 员放 弃 了需要 进行大 量 实验 的单一 材料 的 系统研 究 , 注 意力放 在基 于 少量特 将 殊 棘轮 实验建 立应 力循 环材 料本 构关 系上 , 并用 以得 到棘 轮 应变 的理论 预测 . 因而 现有 本构 模 型预测 精度 较 低且方 法 相 当复杂 ,故距 适用 还有 相 当大 的距 离 .已有 文献 报道 了对不锈 钢 、碳钢 、 道 钢等 钢种 在上 述 因素影 响 下大量 轨 棘轮 行 为实验 结 果 l 引 但 实验 均缺 乏 系统性 ,尚未发 展 卜 , 出奠 基性 的物 理 概念和 揭示 出十分 有 用的 试验 规律 . 本 文基 于 大 量 的单 轴 实 验 ,从 新 角度 研 究 了循 环 中
统二 元应力控制棘轮变形认识带来 的难度.由于新体 系方程结构 简洁 ,建模方法简便,描述实验结果精 度高 ,故适合工程应用.
关键 词
棘轮. , Hl2 G127 T 1. 1 4
文献标识码
A
文章编号
0 1—16(0 20 — 9 6 0 42 9 120 )9 06 — 8
若 在加载历程 中不 同应力 水平的多级工 况
( =
+ ) 组合在一起连续对单试样加载 ,则称该试样经
受 了 一 个应 力 历 史 加载 工 况 .表 3 给 出 了 3 4 不 锈 钢 0 在 不 同 温 度下 峰 值应 力 。 历史 加 载 工况 ,同时 还 给 出 了 1 r8 9 i不锈 钢 在常 温下 峰值 应 力 。 历史 加载 C 1NiT
s .4 i0 7 ,Ni1 .7 0 2 ,Cr 1 .7 和 C 00 4 85 .6 ,M n 17 ,P .2 00 2 S 00 5 S .6 , ., 84 , .6 .3 , .1 , i 0 4 Ni 7 Cr 1 .5 Ti 3 .两 0 8 0
蔡 力勋 牛 清 勇 刘 宇杰
( 西南交通大学应用力学与工程 系,成都 6 0 3 ) 10 1
摘 要 基于 3 4不锈钢 和 1 l NiTi 0 Cr8 9 不锈钢单轴常温与高温应力循环棘轮实验,提出了棘轮应力和 棘轮 门槛值 的概念,发
展 了 一套 基 于 棘 轮 应 力 一 元参 量 的 、描 述 高 温 棘 轮循 环 饱 和 材 料 的 单 轴 棘 轮 本 构 行 为 和 常 温 演 化 行 为 的方 法 体 系 ,新 体 系 降 低 了 传
K EY 0 R D S r t he tn W a c t i g,p a tct ,s anls t e ,m o l o tt to l iiy t i e s s e l s de ,c ns iu i n
材 料 因循 环 应 力 作用 而 产 生 的渐 增性 循 环塑 性 应变
A B ST R A C T Ba e n a s re nixi lr t he tng t s s c r id o o 0 d 1 1 N i Ti s d o e is ofu a a a c t i e t a re ut f r 3 4 an Cr 8 9 s anls t es un r c lc s r s i t o m e pe a ur nd ee a e t m pe a u e he c n e s t i e s s e l de yci t e sng a r o tm r t e a l v t d e r t r ,t o c pt o a c e tng s r s n r t h t i g s r s h e hod r e e t d a e fm e h o o i a ys fr t h t i te s a d a c e tn t e s t r s l we e pr s n e nd a s t o t od l g c ls — t m s de e o d , e wa v l pe whih c n be us d no nl o m od le l t d lw fr t h t i g s r i he c a e to y t e vo u e a o a c e tn t a n oft m a e i l de ni x a t e s a o m e pe a u e bu lo t i u a e s t r t d r t he tn o t— t r asun r u a i ls r s t r o t m r t r t as o sm l t a u a e a c t i g c ns i t tv h v o ft e m a e i l tee a e e pe a u e .T h e e t d s t m a v r o edi c l u i ebe a i ro h t rasa l v t d t m rtrs epr s n e yse c n o e c m f u t i p o e s t s rbe r t he tn e r a i n fo r d to ldu ls i t e s C n r 1 The r t he — r blm o de c i a c t i g d f m to r m t a ii na a itc s r s O t o . o a c t tn o s iu ie m od la d r t he tng e o ut d m o e i e i hi a r ha e be t r p e ii n t i g c n tt tv e n a c t i v l e d lg v n n t s p pe v t e r cso o r g e s e pe i e t lda a a r c e sbl o e g ne r n p ia i n d o be t r c ncso n e r s x rm n a t nd a e a c s i e t n i e i g a pl to ue t te o ii n a d c e s s a ihm e t i e ua i a y e t bl s n n q ton.
1 实验 方法
试 样材 料 为两 种材 料 : 3 4不锈 钢 、 1 1 NiTi 0 Cr 8 9
不锈钢. 3 4 0 钢和 1 r8 9 不锈钢化学成分 ( C 1Ni Ti 质量分
数 , %) 别为 : C 00 2 Mn 11 , . 3 S00 8 分 . , . P 0 2 , .1 , 6 2 0
年来 , 学术 界普遍认 为制 约单 轴棘 轮行 为 的重要 因 素为: 应力 幅 o r a、平 均应 力 、应 力率 、循 环次 数 Ⅳ 、 温度 0、应 力历 史 ) 、温 度历 史 , ,描述 棘 轮变 形的 ( 即
国家 自然 科 学 基金 1 7 2 4 9 7 0 1和 核 燃 料 及材 料 国 防科 技 重 点 实 验
第 3 8卷
第 9期
仓 扁 学 改
A CTA ETA LLU RG I M CA N I SI CA
Vo .8 13
NO. 9
6— 7 20 0 2年 9月 9 6 9 3 页
96 7 S pt 2 0 PP. 6 —9 3 e . 0 2
描 述 不 锈 钢 材 料 单 轴 棘轮 行 为 的 一 元 参 量 体 系
C x n。 U n o g AILiu NI Qi y n LI Y je U ui
De r m e t ofA p i d M e ha c nd En ne i pa t n ple c ni s a gi erng,S t we t J a t g Uni ,Ch gd 0 31 ou h s i o on v. en u 61 0
M ETH oD o Lo G I CA L SY STEM To E SCR I D BE N I X I L U A A R AT CH ETTI G BEH AV I R o F S N o TA I LESS S EEL BY N T
U NI TA RY PA R A M ET ER
轮应变 的 影响 ,提 出一元 棘轮 应 力 和 棘轮 门槛 值 t h
作者简介 : 蔡力勋,男, 1 5 9 9年生,教授
9期
蔡 力勋等 : 描述 不锈钢 材料 单轴 棘轮 行 为的 一元 参量 体 系
97 6
的概 念; 出了描述 饱和 与 非饱 和棘轮 材料 棘轮 演化 规律 给 的方 法; 出 了用于建 立饱 和棘轮 材料 饱 和棘轮 本构 关 系 提 的 单试样 法和 考虑 温度 影响 的饱 和棘 轮材 料本 构 关 系.