關(guān)于振動時效的振動力學(xué)分析探討

杜佩明+何尚文

摘 要 工程材料在加工過程中存在殘余應(yīng)力，振動時效便是削減殘余應(yīng)力的一種方法。它通過外加振動使其與工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力矢量和超過材料屈服強度，利用材料發(fā)生的微量塑性變形來減輕材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力。本文從材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力出發(fā)到外加激振力對振動時效進行振動力學(xué)的分析和討論，對振動時效工藝的選擇有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 振動時效；振動力學(xué)；分量

中圖分類號 G3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0004-02

振動時效英文縮寫為VSR，由于本身具有其他相關(guān)工藝技術(shù)沒有的綜合性優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于相關(guān)的工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域。首先是在鑄造構(gòu)件上得以應(yīng)用，之后普及到低碳鋼材料焊接件，再到目前較為先進的合金鋼結(jié)構(gòu)、不銹鋼結(jié)構(gòu)以及其他金屬的合金材料，在其鍛造與構(gòu)件的焊接過程中都得到了成功的使用。振動時效在應(yīng)用的過程中具有明顯的綜合效果。所以振動力學(xué)分析需要明確工藝?yán)碚撘约皹?gòu)建疲勞狀態(tài)，針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性特點分析殘存應(yīng)力作用，同時能夠?qū)偠确植紶顩r形成大致了解。通過不同應(yīng)力作用下的微觀塑性能夠?qū)φ駝舆M行一定的分析。

1 振動時效中的殘余應(yīng)力

構(gòu)件承受荷載時，由于殘余應(yīng)力的存在，荷載引起的應(yīng)力將與截面殘余應(yīng)力疊加，使構(gòu)件某些部位提前達到屈服強度并產(chǎn)生塑性變形。然而如果繼續(xù)增加荷載，只有截面彈性區(qū)承受增加的荷載，塑性區(qū)的應(yīng)力不再增加。所以，殘余應(yīng)力不影響構(gòu)件強度。但由于產(chǎn)生了塑性變形，故構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性將有所降低，同時將降低其抗沖擊斷裂和抗疲勞破壞的能力。此外，理論和實驗研究表明構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的存在，對構(gòu)件的固有頻率、阻尼等參數(shù)將產(chǎn)生影響[ 1- 3 ]。原機械部頒發(fā)的振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求中規(guī)定，當(dāng)振幅頻率曲線出現(xiàn)振后的峰值點，即可判定為出現(xiàn)了振動時效效果[4]，由此推斷出振動時效過程中構(gòu)件固有頻率發(fā)生了變化。

2 振動時效中的屈服極限

振動時效理論在進行均化和減弱結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的殘余應(yīng)力時，常常會使用共振動應(yīng)力和構(gòu)件殘余應(yīng)力相加大于構(gòu)件屈服應(yīng)力極限的公式。一般情況下，發(fā)生共振情況的材料構(gòu)件上的某一個區(qū)域都會產(chǎn)生動應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，如果大于屈服極限的不等式成立，那么構(gòu)件會由于形變的原因促進構(gòu)件本身殘余應(yīng)力的釋放，但若把不等式中的屈服極限看作基本概念層面的理解，那么這個等式顯然是忽視了構(gòu)件應(yīng)變效率后得出的結(jié)果。由材料力學(xué)的相關(guān)知識知道，不同材料構(gòu)件的屈服極限和應(yīng)力的瞬時值并非一成不變，而會隨著材料應(yīng)變效率的增加而增加，這就是振動時效下產(chǎn)生的應(yīng)變效率反應(yīng)。即振動時效中的屈服極限有著動態(tài)和靜態(tài)的區(qū)別，而理論中的屈服極限往往指的是靜態(tài)，因此這種方法不適用于加載速度變化較大的構(gòu)件。

3 振動頻率的選擇

振動時效技術(shù)是在外加激振力的響應(yīng)下實現(xiàn)消除內(nèi)部殘余應(yīng)力的，這就要考慮激振頻率的選擇。由上面的內(nèi)容得知殘余應(yīng)力對固有頻率也會產(chǎn)生一定的影響，所以對振動頻率的討論顯得便尤為重要了。振動時效的工作系統(tǒng)是在共振的狀態(tài)下工作的。即要求阻尼比γ=ω/ωn值為1，其中ω為外激振頻率，ωn為構(gòu)件固有頻率，可由振動力學(xué)的相關(guān)知識求解到。由圖1中可以看出共振時，可用較小的外激力產(chǎn)生較大的振幅和動應(yīng)力。

所以此時消除殘余應(yīng)力效果也比較好。但由于一個多自由度系統(tǒng)有多個固有頻率，所以使系統(tǒng)共振時有多個自由度可供選擇。但最終的激振頻率的選擇要以殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)為依據(jù)，并要考慮結(jié)構(gòu)的振型[5]。

4 振動時效中的激振力和激振時間

振動時效中的激振力來源于偏心轉(zhuǎn)子在電機中產(chǎn)生的離心力F。其值可由下面的公式計算： F=（Q/g）ω2rsin（ωt）

F—激振力（kN）；Q—偏心環(huán)重（N）；

g—重力加速度；ω—角速度；r—偏心距（mm）而激振時間是以振動系統(tǒng)參數(shù)的宏觀特征變化來確定的。不能簡單地認為只要使動應(yīng)力和殘余應(yīng)力矢量和大于材料的屈服強度就可以達到技術(shù)要求。對于激振時間的確定，可由振動力學(xué)的相關(guān)知識可知在確定了共振頻率之后，可計算出此時系統(tǒng)的振動周期Td作為參考。計算公式如下：

Td=2π/ωd；ωd=/ωn（1-ζ2）？；ζ=c/2mωd

C-粘性阻尼系數(shù)；ζ-阻尼比；m-質(zhì)量；ωn-固有頻率。

5 關(guān)于振動時效中振動力學(xué)的一些思考

1）由于工程中的構(gòu)件多為多自由度系統(tǒng)，考慮到多自由度系統(tǒng)在共振時的局部性，即在外激力的作用下有多個共振峰，每次只能消除材料中局部的殘余應(yīng)力，故需要多次加載，在多個共振峰振型的疊加下，最終實現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的消除。例如懸臂梁在收到外激力時會發(fā)生多階共振，而不同的振型導(dǎo)致梁的變形也不同，所以不同頻率的外激力下產(chǎn)生不同的響應(yīng)，對殘余應(yīng)力的消除也有不同效果。

2）振動時效技術(shù)應(yīng)用為其微觀和理論機理的深入研究奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)使用的對象往往是結(jié)構(gòu)組成都較為復(fù)雜的構(gòu)件，而且在實踐過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和剛度變化的范圍也比較大，加上共振時發(fā)生的激振力逐漸循環(huán)提高，構(gòu)件上的振動波也會隨之在多個方向和自由度上進行傳播，也會導(dǎo)致材料發(fā)生一定程度的形變，這一系列的過程也是振動時效理論區(qū)別于一般振動分析的地方。

6 結(jié)論

綜上所開展振動時效和振動力學(xué)的研究，不僅能為機械振動的經(jīng)典理論加以詮釋，還能提出新穎的觀點推動現(xiàn)有振動時效相關(guān)課題的研究進程。

參考文獻

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[2]高永毅，劉德順.利用試驗?zāi)B(tài)分析進行殘余應(yīng)力評估的研究[J].振動與沖擊，2005，24（5）：111-114.

[3]李文威，董學(xué)武，王東強，等.鑄鐵構(gòu)件固有頻率與其殘余應(yīng)力關(guān)系的研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報，2007，18（2）：7-10.

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