超高强度钢丝拉拔损伤过程模拟分析及扭转性能提升

超高强度钢丝拉拔损伤过程模拟分析及扭转性能提升

超高强度钢丝通过冷拉拔变形获得了高强度的力学性能,因此被广泛应用于大跨桥梁等大型建筑工程中。但是,冷拉拔过程使得钢丝屈服强度提高的同时也使其塑性和扭转等力学性能降低。多年来随着生产实践中的不断改良,钢丝的综合力学性能得到了很大的提升,但是扭转性能的改善却一直不尽如人意。

本文从考察拉拔损伤出发,探究钢丝冷拉拔过程中的如微孔洞形成及扩展等损伤现象及损伤演化过程;分析冷拉拔过程中材料塑性损伤及残余应力分布,以提升钢丝扭转性能为目标,进行冷拉拔工艺优化分析以提高钢丝成品质量。结合有限元方法、损伤力学理论、多尺度模拟方法,建立超高强度钢丝的拉拔形变过程的数值模型,分别基于单一尺度和多尺度模拟讨论了钢丝的拉拔形变过程的模拟方法与拉拔损伤演化模型的选择;分析阐述钢丝拉拔过程中损伤产生的机理,建立了含损伤钢丝多道次拉拔过程中三维有限元模型,以展现钢丝连续拉拔中塑性大变形与损伤演化的动态过程。本文完成的主要工作有:分析在工业生产中给定的模具顶角、入线直径和道次压缩率参数条件下,超高强度钢丝内部应力的变化规律,以及多道次拉拔过程中金属材料损伤演化的规律、扭转性能变化趋势;提出了损伤评价方法,给出损伤指标,用以工业生产中从损伤的角度评定钢丝性能;分析钢丝在拉拔过程中扭转性能变化、损伤演化规律与材料力学参数及拉拔角度之间的关系;分别建立单一尺度下和多尺度下含损伤钢丝拉拔过程的数值模型,讨论两种方法的差异性,并对数值计算结果进行比较分析,通过多尺度方法着重观察钢丝内部损伤程度较严重区域的损伤演化、应力变化等过程。

通过研究发现:超高强度钢丝在经历多道次连续拉拔过程后,损伤集中发展在钢丝中心轴线附近区域;随着道次的增加,扭转性能不断降低;损伤区域各个节点的损伤不断增加,增加程度与道次压缩率关系密切;在单一尺度模型下,第一道次拉拔后钢丝内部有损伤区域的损

伤发展水平也较低,从第二道次开始,钢丝中轴线附近区域损伤发展迅速,损伤最值明显集中在中轴线上;研究钢丝的残余应力及损伤分布沿钢丝径向分布的规律发现:Von Mises应力呈现先降低后增加的趋势,损伤随着距离的增加略微上升后急速下降。探讨了钢丝拉拔工艺参数和钢丝胚材的性能参数对钢丝成品力学性能的影响,研究结果表明:在现有拉拔工艺参数及钢丝胚材的性能参数下,增加模具拉拔顶角、降低孔洞形核时的胚材应变平均值参数、提高孔隙率等措施都会使得钢丝拉拔后损伤指标增加,同时对拉拔后的钢丝扭转性能不利,其中扭转性能与损伤指标对孔隙率参数最为敏感,钢丝塑性应变的波动程度受孔洞形核时的胚材应变平均值参数影响最大。通过单一尺度和多尺度两种方法针对钢丝拉拔过程建立数值模型,分析各自得到的模拟结果,它们在总的残余应力、塑性应变分布上大体一致;由于多尺度方法着重考虑了损伤发展严重区域——钢丝中轴线附近,针对损伤沿钢丝径向分布的结果略有不同:钢丝损伤最高值不再是中轴线,而是稍微偏离中轴线的区域,同时损伤指标也有所提升。