剪切模拟（共8篇）
剪切模拟 篇1
0 引言
关于金属材料的大塑性微观变形机制的研究历来是热点, 尤海峰[1]研究过大塑性变形致金属铜纳米化机理的分子动力学模拟, 得出样品在大塑性变形下, 微结构发生明显的变化, 其中FCC原子所占比例下降, HCP原子和其它原子所占比例升高, 最后趋于稳定状态。文玉华[2]等研究过纳米晶铜单向拉伸时的分子动力学模拟, 得出纳米晶铜的强度随着晶粒尺寸的减小而减小, 显示出了反常的Hall—Petch关系, 纳米晶体的塑性变形主要是通过晶界与滑移运动, 以及晶粒的转动来实现, 位错运动是次要的, 有限的。尽管目前有许多学者针对纳米块体塑形变形机制做了研究, 但往往只关注某一方面 (如几何尺寸[3], 温度[4], 应变率[5]) 而本文是在连续剪切变形条件下, 采用分子动力学模拟方法模拟研究金属Al在剪切变形时出现的一些微观结构, 以至于使材料实现纳米化, 同时也有学者研究纳米材料的潜在风险[6], 但纳米材料对材料力学性能改善毋庸置疑。
1 模型建立及初始条件
如图1 所示, 纳米fcc Al的初始构型以理想的晶格Al为基本元胞, 模型尺寸为100nm×100nm×1.2nm, 其中单晶Al的晶格常数为0.405nm, 初始构型生成的原子总数为28800 个, X, Y, Z对应的坐标轴分别为[1 0 0], [0 1 1], [0 -1 1]。X, Y, Z分别采用周期性边界条件。模拟软件运用Lammps, 采用EAM[7]势函数来描述原子间的相互作用, 模拟过程用NPT系综, 采用Nose'—Hoover[8]热浴法调节体系温度, 使温度保持为恒定300K, 通过调节系统的体积来保证压强恒定5Gpa。 模拟步长选用1fs, 1fs=10-15s, 通过Velocity-Verlet算法对系统运动方程进行积分。
2 模拟过程
体系温度300K时通过随机数给出原子的速度分布, 并保持系统Y, Z方向为静水压力5GPa, 弛豫1000 步, 弛豫的目的是使系统进入能量最低的平衡状态。然后施加X方向连续的剪切应变, 应变率控制为1*109/s。每隔10000 步记录原子的序号, 坐标, 成键类型。每隔10000 步记录体系的温度, 动能, 势能, 压力, 应力, 体积。加载示意图如2。
3 结果分析
3.1 应力—对数应变曲线分析
图3 为应力—对数应变图。图3 为Al单晶在原子尺度下的微观结构演化图, 图中采用局部晶序法[9]分析, 并用不同颜色进行结构区分, 其中蓝色原子表示fcc结构, 紫色原子代表hcp结构, 单层紫色原子代表孪晶, 相邻双层紫色原子代表堆垛层错。红色原子既不是fcc, 也不是hcp结构, 通常代表表面, 晶界, 位错芯等。
图3 可以分为三个阶段, 第一阶段为弹性应变, 在应变较小时, 对数应变近似等于应变, 所以在第一阶段应力—对数应变满足线性关系。当对数应变r=0.1170 时, 对应最高点是材料的屈服应力, 此时对应的应变即为屈服应变。在第二阶段, 随着应变的增加, 应力迅速下降, 晶格排列不完整, 发生塑形变形, 这一阶段, 在自由表面附近的原子发生滑移, 层错的边缘是不全位错, 随着应变的继续增加, 位错密度增加, 不同位错间相互交割, 形成图4 的结构, 此时hcp原子增多, 孪晶的数量极少, 此时主要以层错为主。第三阶段初期应力—对数应变图上下波动, 这是因为这一阶段较多出现孪晶, 孪晶形核的应力远高于其扩展应力, 所以当孪晶形成后载荷就会急剧下降, 在形变过程中正是由于孪晶的不断形成及消亡, 才会使应力—对数应变曲线不断呈锯齿型上下波动。
3.2 五重孪晶的形成
在退火的纳米金属材料中经常可以观察到五重孪晶的形核和生长, 而本文在剪切模拟条件下亦观察到五重孪晶的形核及生长, 如图5 为模拟过程中观察到的五重孪晶, 五重孪晶其结构比较特殊, 呈五瓣状, 由五个孪晶面相交组成。五重孪晶的形成过程如下:图6d中F结构即为五重孪晶, 它的形成过程如图6 所示:在图6a中通过孪晶TB1形成了第一个很薄的孪晶界, 这个很薄的孪晶界上的部分位错以伯氏矢量b1 向晶界移动, 如图蓝色箭头所示。在图6b中, 形成了孪晶界TB2, 它的形成是由于右上角的晶界通过发射部分位错而从晶界转移出来的。如图6 (c-d) 中TB3 和TB5的形核由部分位错以伯氏矢量b3 和b5 移动而形成的。在图6e中, TB4 的出现, 这样一个五重孪晶就形成了。通过观察五条孪晶界它们通过孪晶界的迁移, 各自都满足了自身的稳定条件。因此它们呈现出一个五角星的形状, 材料内部的高局部应力未知的变化是五重变形孪晶形成的重要条件。
3.3 五重孪晶的运动及消亡
图7 揭示了五重孪晶的运动及其消亡过程, 五重孪晶尾部与位错相连, 在图a-b的过程中, 由于位错的不断运动而导致TB1 及TB5 不断变小, 而五重孪晶中的五条孪晶不是同时变小, 而是由于位错的局部运动导致TB1 及TB5 先变小, 而TB2, TB3, TB4 保持原样而未发生变化, 表明剪切过程中形成的五重孪晶中的五条孪晶并没有同时发生运动, 发生运动的其中两条孪晶尾部连接低密度位错。而未发生变化的其中三条孪晶与高密度位错相连。由此可以证实, 高密度位错在一定程度上可以阻碍孪晶的运动, 使其保持局部稳定。图b-c中揭示出五重孪晶向四重孪晶的转变过程, 由于不同位错之间的相互交割, 导致TB4 呈现生长趋势, 而TB1, TB2 呈现缩小趋势, TB3 消亡, TB5 既不扩展也不消亡。同时TB4尾部与低密度位错相连。综合分析图, 生长出来的孪晶尾部都与位错相连, 而且孪晶的生长需要克服一定的位错阻力, 而形成较大的孪晶尾部都有较小的位错密度, 这是因为在生长过程中克服了位错阻力而产生的结果, 相反, 在较小的孪晶周围都有较大的位错密度, 这是因为在其形核及生长过程中, 尚不足以克服生长阻力, 而形成较小的孪晶。c-d中, TB1, TB2, Tb4 及TB5 都消失, 按上面提到的分析, 孪晶运动应该是局部运动, 也即形成的五重孪晶转化为四重, 而后转化为三重或二重, 并最后消失, 不应该是四重孪晶而后消失为无序状态, 这是因为形成的孪晶周围总有位错运动阻碍, 所以使得只有局部孪晶发生转化。而本文中由四重孪晶转化为无序状态的原因是由于其孪晶周围位错密度较低, 不足以使孪晶保持稳定, 而最终四重孪晶尚未转化直接消亡。
3.4 晶粒细化
在模拟剪切一个完整周期后, 晶体结构严重变形, 内部存在大量层错及孪晶, 出现取向异性的新晶粒, 单晶体材料在强烈塑形变形条件下, 内部结构被细化, 并且出现了大角度晶界结构, 如图8 所示。
4 结论
材料在初始变形阶段以层错为主, 孪晶少量出现, 这是因为Al属于高层错能材料, 高层错能材料孪晶形核应力较大, 这一结论与目前实验结果较为吻合;在剪切了一段时间之后, 内部变形出现新结构五重孪晶, 在局部高应力未知变化的情况下, 由于要协调变形而出现, 五重孪晶会不断的运动乃至消亡。在金属退火实验中也观察到类似结构;剪切一个完整周期后, 单晶Al被细化, 材料出现取向异性的新晶粒, 证实在大塑形变形条件下材料内部原子由于不断运动而出现纳米晶粒。这对于改善材料力学性能具有重要意义, 而这一模拟方法也常在实验中制备纳米材料。
参考文献
[1]尤海峰, 周承恩.大塑性变形致金属铜纳米化机理的分子动力学模拟[J].内蒙古工业大学学报, 自然科学版, 2013, 32 (3) :166-172.YOUHai-feng, ZHOUCheng-en.Themechanismofsevereplasticdeformationcausedbycoppermetalnanomoleculardynamicssimulations[J].JournalofInnerMongoliauniversityoftechnology, Naturalscienceedition, 2013, 32 (3) :166-172.
[2]文玉华, 周富信, 刘曰武, 等.纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟[J].力学学报, 2002, 34 (1) :29-36.WENYu-hua, ZHOUFu-xin, LIUYue-wu, etal.Moleculardynamicssimulationofnanocrystallinecopperuniaxialtensiledeformation[J].Journalofmechanics, 2002, 34 (1) :29-36.
[3]AKARAPS, ZBIBHM, BAHRDF.Analysisofheterogeneousdeformationanddislocationdynamicsinsinglecrystalmicropillarsundercompression[J].InternationalJournalofplasticity, 2010, 26 (2) :239-57.
[4]RABKINE, NAMHS, SROLOVITZDJ.Atomisticsimulationofthedeformationofgoldnanopillars[J].ActaMaterialia, 2007, 55 (6) :2085-99.
[5]ZHUT, LIJ, SAMANTAA, etal.Temperatureandstrain-ratedependenceofsurfacedislocationnucleation[J].PhysicalReviewLetters, 2008, 100 (2) :025502.
[6]赵利红, 朱小山, 王一翔, 等.纳米技术的潜在风险研究进展[J].新型工业化, 2015, 1 (12) :59-66.ZHAOLi-hong, ZHUXiao-shan, WANGYi-xiang, etal.PotentialrisksofResearchprogressofNanotechnology[J].TheJournalofNewIndustrialization, 2015, 1 (12) :59-66.
[7]JOHNSONR.Analyticnearest-neighbormodelforfccmetals[J].PhysicalReviewB, 1988, 37 (8) :3924.
[8]HOOVERWG.Equilibriumphase-spacedistribution[J].PhysicalReviewA, 1985, 31 (3) :1695.
[9]HONEYCUTTJD, ANDERSENHC.MoleculardynamicsstudyofmeltingandfreezingofsmallLennard-JonesCluster[J].JournalofPhysicalChemistry, 1987, 91 (19) :4950-63.
[10]SHAOY.F., WANGSQ.Quasicontinuumstudyonformationoffivefolddeformationtwininnanocrystallinealuminum[J].ScriptaMaterialia, 2010, 62 (6) :419-422.
剪切模拟 篇2
为了认真落实公司和上级领导的工作精神和要求，进一步提高电子交易员的学习力、创新力和战斗力，我们在泓元近三个星期的学习工作中，虽然对剪切加工整个流程有了逐步提高和了解。但是自己工作中还是存在着盲目和性格急躁的消极心理，幸好在同事和领导沟通交流下，不断地调整自己心态，虚心学习，改进工作方法，提高工作效率，为更好地完成了各项工作任务而努力，现就自己对近期工作作简要总结。
首先钢铁加工配送中心是钢厂和客户之间不可缺少的纽带，目前，我国钢材加工率很低，发展钢材加工配送市场潜力很大，但要注意合理布局和统一规划、有序发展。“在建立加工中心时，要认真分析和了解当地的同行竞争对手的布局情况以及社会同类产品的客户、潜在需求环境。要合理规划和布局。
1.实现来料加工，受托加工的管理及费用结算。2.实现客户报价单、订单、送货单管理。3.实现物流进出入库、流转、调拨、变化。4.实现加工配切生产指令的开单、计划、生产控制。
5.针对仓储加工配送中心特有的品质需求进行品质管理及跟踪服务。其次建设加工配送中心建设也有一个提升产业集中度问题。这需要钢铁企业、钢铁分销企业、下游用户等利益相关者密切合作、共同谋划，突出加工中心的社会性和专业性，以整合社会需求为基础，建立起功能齐全、辐射广泛、具有强大规模效应及技术研发能力、具有国际竞争力的钢材配送中心。
最后未来加工中心应该向全方位、高附加值服务方向发展，要提高物流效率，优化供应链。钢铁加工中心在提供钢材加工服务的同时，还要提供更多的附加服务，如融资、物流配送、市场信息传递等，以达到优化钢铁物流效率、降低上下游企业成本、缓解企业资金压力、促进行业信息交流、提高企业利润等目的。这就是我这半个月来的实习情况，我将再接再厉在以后的工作中努力学习，掌握技能。让这次工学结合满载而归！
剪切模拟 篇3
压型钢板-轻骨料混凝土组合楼板作为一种新型楼板结构形式, 充分利用了轻骨料混凝土抗压、 压型钢板抗拉的优点,此外,兼具自重轻、施工速度快、节约模板等优点,被广泛地应用于高层及超高层建筑中。 与普通混凝土相比,轻骨料混凝土还具有自重轻、保温隔热性能好等优点。 因此,对由轻骨料混凝土替代普通混凝土组成的轻骨料混凝土组合楼板的研究尤为迫切。
在工程实际中,组合楼板一般采用单向简支板或单向连续板,其破坏模式一般分为弯曲破坏和纵向剪切粘结破坏。
弯曲破坏:当轻骨料混凝土与压型钢板之间完全组合作用时,加载后破坏于最大弯矩截面处。 其破坏形式、 计算方法和普通适筋钢筋混凝土板类似。
纵向剪切粘结破坏:压型钢板与轻骨料混凝土之间接触面随加载值的持续增加出现过度纵向滑移,导致两者组合作用失效发生的破坏。 目前的试验研究结论表明,绝大部分组合板的失效状态表现为纵向剪切粘结破坏。 因此,组合板必须具备足够的纵向剪切粘结承载力,以防止组合作用因过大纵向相对滑移而失效[1,2]。 据此判断,对组合楼板进行纵向剪切粘结性能分析尤为重要。
本文就轻骨料混凝土组合楼板纵向水平剪切粘结承载力通过ANSYS仿真模拟与试验相结合进行探讨分析。
1组合楼板纵向水平剪切粘结承载力计算理论
1992年, 原冶金工业部颁布的YB 9238—92 《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程 》一直作为指导工程设计的主要依据。 然而,该规程中给出的剪切粘结承载力计算公式待定系数过多,而且并未给出试验的标准方法。 我国现行的JGJ 99—98 《高层民用建筑钢结构设计规程 》[3]中建议采用两者接触面处受剪承载力验算组合板的纵向抗剪承载力,但未给出具体的纵向剪力设计值形式。
目前,国内外关于组合板纵向水平剪切粘结强度的计算主要采用欧洲规范4[4]的建议公式:
此外,国内外学者还分别根据实验结果提出了多种剪切粘结强度公式,其中由美国Iowa state uni-versity的Porter等人提出的被ACI房建规范推荐为设计公式[5]。该公式与欧洲规范4推荐公式相比,没有考虑结构中存在临时支撑时恒载对剪切粘结强度的贡献度,忽略了横向水平抗剪钢筋的影响,认为其只需在构造中体现即可。与考虑了临时支撑等因素影响的前者相比,此公式的平均误差只增大约2.7%。所以,该公式目前被各国内外规范广泛采用[6]。
2组合楼板仿真模拟
2.1试件概况
压型钢板采用目前国内较为常用的YX-76- 344-688,Q235钢,其板型、横截面尺寸如图1所示, 材料性能见表1所示,在压型钢板两端的凹槽内焊接长120 mm、直径16 mm的栓钉。 混凝土采用强度等级为C25的页岩陶粒混凝土[7,8]。
为研究组合楼板纵向剪切粘结强度,本文通过有限元分析软件ANSYS对该组合楼板进行建模分析,在验证模型正确的基础上,改变横向水平抗剪钢筋间距、板厚、剪跨、混凝土强度等级等因素,分别得到相关数据进行线形回归,得到基于m、k法的轻骨料混凝土组合楼板剪切粘结承载力计算公式与已有的试验数据进行误差对比分析,验证回归公式的可靠性。
2.2建立数学模型并验证其正确性
压型钢板采用SHELL93单元,本构关系如图2所示; 轻骨料混凝土采用专门针对混凝土开发的SOLID65单元,本构关系如图3所示。横向抗剪钢筋和栓钉采用PIPE16单元,本构关系如图4所示。
根据结构模型对称性,取组合板的一半进行建模分析。 先按压型钢板、轻骨料混凝土分别进行建模,然后对两者分别进行网格划分,得到横向水平抗剪钢筋和端部栓钉。 在建模划分网格过程中需充分考虑横向水平抗剪钢筋和端部栓钉在模型中的位置[9]。 压型钢板、横向水平抗剪钢筋和端部栓钉划分完网格模型见图5, 轻骨料混凝土划分完网格模型见图6,两者间接触面模型见图7。
程序运行结果与试验值的对比见表2所示。
由表2可知, 开裂荷载的试验值和ANSYS模拟值存在较大误差,主要原因是两者对构件开裂的判断方式不同,试验时把人眼看到裂缝时的加载值定为开裂荷载值;而模拟中,以轻骨料混凝土中某点处主拉应力超过抗拉强度时的荷载值定为开裂荷载值。 其他各参数拟合度较高,差值在可接受的合理误差范围内,即此模型有效,可用于后续研究。
2.3方案设计
试验只能反映组合板在多个变量综合作用下的整体性能,不能确定某单个因素影响程度,但有限元模拟却可以,且同时能节省大量时间和科研经费。 现利用已被验证的程序,改变横向水平抗剪钢筋的间距、板厚、剪跨、混凝土强度等级等因素,特设计16块楼板见表3。
对表3中每一楼板进行模型运算,得到其极限荷载、跨中最大挠度和板端相对滑移值详见表3所示,将全部16组试验和模拟数据按Porter给出的公式模式进行处理,对该公式进行恒等变换,得到横坐标将全部数据线性回归分析,所得线形回归曲线y=mx+k如图8所示,斜率m1=1343、截距k1=0.038。为考虑试验中必然存在的如试件制作尺寸偏差、横向水平抗剪钢筋间距、轻骨料混凝土拌制强度等离散性的影响,将回归线形曲线的斜率与截距分别折减15%,得到斜率m=1141.55、截距k=0.0323,如图8所示。故建议对采用YX-76-344-688压型钢板的组合板剪切粘结承载力计算公式取为:
2.4回归公式可靠性分析
文献[10-11]中关于轻骨料混凝土组合楼板纵向剪切粘结承载力试验研究的5组数据,见表4。 右侧两列分别为回归公式计算值和两者相对误差。
通过对比极限荷载值和回归公式计算值可见, 回归公式计算值一般比极限荷载值小,主要是因为在考虑离散性的基础上对系数m、k进行了折减,使得利用回归公式得到的计算值偏于安全。 板BV6因试验中未加横向水平抗剪钢筋,使得极限荷载值大于公式计算值,但实际工程中即使组合板没有横向水平抗剪钢筋也能满足承载力要求时,也必须按构造措施焊接抗剪钢筋。 因此,板BV6作为特殊情况可不予考虑。
两者相对误差基本保持在25%以内,在工程允许误差范围内。 个别情况超过25%,但因相对误差为负值,即计算值偏于安全,因此,笔者回归得到的公式有较高的可靠性,可以为进一步研究,比如关于轻骨料混凝土组合板相关规范的制定、设计或工程中简易验证计算等,提供一定的参考依据。
3结论
(1) 借助ANSYS建立了轻骨料混凝土组合楼板数学模型,并通过和试验值的比较验证了所建模型的正确性, 且模型可对横向水平抗剪钢筋间距、 板厚、剪跨、混凝土强度等级等因素进行参数调整, 使得程序具有一定范围内的通用性。
(2) 通过对16块YX-76-344-688型压型钢板-轻骨料混凝土组合楼板分别建立数学模型,并得到极限荷载、 跨中最大挠度和板端相对滑移值, 利用Porter给出的公式线形回归出该种组合板的纵向水平剪切粘结系数m和k,得到回归公式,利用文献[10-11]中关于轻骨料混凝土组合楼板纵向剪切粘结承载力试验研究的5组数据进行验证,两者误差在工程允许范围内,证明回归公式可靠、可用,可为该种组合板的进一步研究提供参考依据。
反复剪切试验探析 篇4
1 土样性质
该土样取自软弱面的泥化夹层, 接近稀泥状, 均为饱和土。具体指标见表1。
2 试验过程
按规范要求进行土样制备, 试样安装, 垂直压力取50 k Pa, 100 k Pa, 150 k Pa, 200 k Pa系列, 以0.02 mm/min速度进行剪切, 当出现峰值以后停止剪切, 启动反向开关, 以0.4 mm/min速率将剪切盒退回原位, 等待0.5 h后进行第二次剪切, 直至最后两次剪切测力计读数接近为止。
3 试验结果
原本设计50 k Pa, 100 k Pa, 150 k Pa, 200 k Pa垂直压力, 由于土样过软, 结果200 k Pa压力下试样全部挤出, 150 k Pa压力下部分挤出, 得到剪切试验成果, 见表2。
k Pa
由于大部分结果出现两个点的情况, 故以下数据分析不进行相关系数的计算。
根据抗剪强度峰值, 得出粘聚力, 内摩擦角以及残余粘聚力, 残余内摩擦角, 见表3。
4 试验总结
本次试验共取试样7组, 均来自野外滑坡体泥化夹层, 试样呈泥糊状, 取样进行含水率, 密度, 液限含水率, 塑限含水率, 比重进行常规分析, 并根据原始数据, 进行了液性指数, 塑性指数, 孔隙比, 饱和度的计算。根据结果可知, 土样均为饱和度大于85%的饱和土;液性指数均大于1, 呈流塑状态, 并据塑性指数可知, 均大于10, 为粉质粘土;天然孔隙比均在0.950~1.050之间。根据经验, 此种饱和粉质粘土剪切试验, 抗剪强度、粘聚力c、内摩擦角φ均特别小, 部分可能会出现接近0值。故采用系列不能用常见的100 k Pa, 200 k Pa, 300 k Pa, 400 k Pa系列, 只能采用剪切仪能达到的最小系列50 k Pa, 100 k Pa, 150 k Pa, 200 k Pa系列。结果还是存在试样挤出, 没有数据的现象。根据抗剪强度峰值数据来看, 7组土样在各垂直压力下数据均无明显差异, 初始峰值与残余峰值的比较结果, 有10次试验初始峰值大于残余峰值, 5次试验初始峰值小于残余峰值, 2次试验初始峰值等于残余峰值。总体看, 残余值应该比初始峰值呈下降趋势, 但不明显。进行粘聚力与内摩擦角的7组试验比对, 可以看出粘聚力有5组出现下降, 2组出现上升。内摩擦角5组上升, 2组下降。而根据反复剪切试验机理, 应该粘聚力与内摩擦角都有下降。分析原因, 可能存在两方面的原因:1) 与剪切仪仪器精密程度有关, 这么小的数值, 已接近仪器最小误差;2) 试样过软, 剪切多次后剪切面已经发生变化, 不能反映一个剪切面进行多次作用力的模拟情况。
5 结语
1) 该滑坡面土样均为饱和粉质粘土, 流塑状, 强度低, 孔隙比大。2) 饱和粉质粘土剪切试验曲线均为平缓, 斜率与截距均接近0。3) 剪切试验垂直压力应采用最小系列, 并采取措施防止土样挤出。4) 饱和粉质粘土剪切试验初始峰值与残余峰值无明显差异, 与理论不相符。5) 受各种原因影响, 反复剪切试验粘聚力与内摩擦角剪切前后差异不大, 部分出现反复剪切后大于天然数值, 与理论不相符。6) 对于此种类型粉质粘土, 采用反复剪切得出的残余粘聚力, 残余内摩擦角数值意义不大。
参考文献
冷剪剪切过程分析 篇5
在棒材厂的生产工艺流程中, 冷剪的重要性不言而喻, 它的好坏直接影响成品的成材率、短尺率以及整个上游的工艺, 因此, 熟知其剪切动作过程, 对设备维护人员发现其隐患及处理故障能够快速反应;对操作人员精心操作能够起到指导作用。
2冷剪剪切动作过程示意图
步骤说明: (1) “压辊自动”模式下, 点剪切按钮, 压辊压下电磁阀得电并延时2.7s。只有在画面上选中“压辊自动”, 才有这个动作过程。 (2) 制动器松开失电并且延时0.5s, 此延时过程的目的是保证制动器在离合器闭合之前能够完全松开。注:在“压辊自动”模式下, 此过程在 (1) 之后开始;“压辊自动”模式没有被选择时, 此过程在点击剪切按钮或复位按钮时开始。 (3) 离合器得电闭合。此期间离合器处于闭合状态, 驱动剪刃完成剪切动作。 (4) 剪刃运行到离合器脱开位置 (在画面上设置) 时松开并延时0.5s, 此延时过程的目的是保证离合器在制动器闭合之前能够完全松开。 (5) 制动器得电闭合制动, 使剪刃结果短暂的制动缓冲过程后停止在高位 (此时冷剪主轴接近开关检测到信号) 。 (6) 压辊抬起电磁阀得电。离合器松开的时刻, 压辊抬起电磁阀得电。只有在画面上选中“压辊自动”, 才有这个动作过程。 (7) 对齐挡板抬起电磁阀得电。离合器松开的时刻, 对齐挡板电磁阀得电。只有在画面上选中“对齐挡板自动”, 才有这个动作过程。 (8) 定尺挡板抬起电磁阀得电。离合器松开的时刻, 对齐挡板电磁阀得电。只有在画面上选中“定尺挡板自动”, 才有这个动作过程。注:如果“压辊自动”模式取消了, 则剪切前后, 压辊需要手动压下抬起。
3剪切过程监控截图
蓝色线为编码器的值;
绿色为冷剪主轴接近开关信号;
棕色为制动器闭合控制信号;
红色为离合器闭合控制信号;
4编码器的脉冲计数
一个剪切动作过程约为4100个脉冲, 剪切开始后, 在接近开关下降沿时执行一次计数脉冲清零, 并重新开始计数。计数到达离合器松开位的设定值时, 撤销离合器的电磁阀控制信号。
在编码器故障时, 可能导致离合器无法在设定位置松开, 但是, 运行到接近开关位置时, 离合器会自动松开, 结束剪切过程;如果接近开关安装位置不正确或接近开关故障而检测不到信号时, 编码器将无法计数清零。此时, 离合器仍然能够在剪切动作开始10s后自动松开。以上功能可以避免连续不断剪切状况的发生。
5注意事项
5.1冷剪主轴接近开关无故障并且安装位置正确对顺利完成剪切动作至关重要!
5.2冷剪复位操作只有在接近开关和编码器都无故障时, 才能完成复位功能, 如果一次无法复位成功可以多试几次复位操作。
5.3如果接近开关安装位置变动, 或挡铁位置变动, 导致接近开关检测到信号时剪刃并不在最高位, 此时需要调整挡铁的位置。调整方法有二:
方法1:在主电机停止后, 手动在画面上将离合器闭合, 然后人工盘动飞轮带动剪刃到最高位, 再调整挡铁到接近开关位置即可;
方法2:先将挡铁安装在任意某个位置, 但要求挡铁在旋转一周过程中, 接近开关能够检测到信号, 以执行计数清零功能。然后启动冷剪电机, 调整离合器脱开位置设定值, 点击冷剪复位按钮, 执行复位操作。每执行一次复位操作后, 观察剪刃实际位置, 适当调整离合器脱开位设定值, 再次执行复位操作, 多次重复以上过程, 直到剪刃停留在高位为止。最后将挡铁安装位置调整到正对接近开关的位置即可。
5.4剪切按钮操作和复位按钮操作的区别
区别1:.剪切按钮操作时, 如果离合器在松开位没有松开, 那么在接近开关位置会松开;冷剪复位操作没有此功能。
区别2:剪切按钮操作时, 如果压辊、对齐挡板和定尺挡板选择了自动模式, 这些设备会自动动作;复位按钮操作时, 无论是否选择了自动模式, 以上设备都不会自动动作。
6结论
本文主要介绍了阳春新钢铁棒材厂冷剪的动作过程以及一些操作和维护需要注意的事项, 了解其剪切过程对实现冷剪的状态最佳化具有一定的指导作用, 精心操作可以帮助提高生产节奏, 保证成品质量, 能为工厂带来实质性的效益, 值得推广。
参考文献
[1]机械原理[M].北京:北京大学出版社, 2009, 9.
玉米秸秆剪切特性试验研究 篇6
1 试验材料和方法
1.1 试样准备
采用吉林农业大学试验田的玉米秸秆“吉单131”为研究对象, 为测得不同收获时期 (含水率不同) 的玉米秸秆对其剪切性能的影响, 分三次取样, 取样日期分别为2010年9月10日、9月22日和10月4日。取样时从秸秆根部以上算起, 于50mm、250mm和450mm处分别剪取长100mm的试样作为试验材料。
1.2 试验仪器及辅助夹具
使用的试验设备为WQ4100万能全息试验机, 由于农业物料具有粘弹性和小力大变形的特点, 因此必须采用连续加载将力和变形真实地记录下来, 该万能试验机作业时能够实现计算机自动控制和数据自动采集。
根据万能试验机上下夹头和实验对象的尺寸, 设计制造了辅助夹具和刀片。图1为放置秸秆的工作台, 图2和图3分别是刀刃角为30°和60°的秸秆剪切试验刀片, 刀片厚6mm, 长70mm, 宽70mm, 刀刃半径为0.5mm。
1.3 试验方法
将自制工作台固定于万能试验机底座, 取玉米秸秆 (长100mm) 放置于工作台上, 用两根铁丝穿孔固定秸秆, 为了消除结构尺寸的影响, 取大致具有相同截面积的秸秆作为实验材料[6], 将自制刀片固定于万能试验机上夹头。
实验中, 设玉米秸秆的收获期、茎节状况、生长部位、刀刃角以及剪切速度为五个变量, 由于秸秆物料生理特征决定了秸秆在轴向和径向上的结构组织不同, 因此在不同方向上必然表现出不同的力学特性, 所以分别进行横向和纵向剪切试验。
2 试验数据与分析
2.1 刀刃角对剪切力的影响
刀刃角由60°变换到30°时, 最大剪切力由1860N下降到1535N, 说明刀刃角越小, 剪切力越小, 越省力, 所以以下剪切试验中刀刃角选择使用刃角为30°的刀片。
2.2 剪切速度对剪切力的影响
图4显示最大剪切力-剪切速度变化曲线, 速度由50 mm/min增加到150 mm/min时, 最大剪切力由1327N下降到937N, 说明剪切速度越快, 剪切力越小, 越省力。
2.3 生长部位对剪切力的影响
根据玉米秸秆不同生长部位, 剪切根部, 中部, 上部, 最大剪切力由2070N下降到670N, 说明秸秆直径对剪切力的影响很大。
2.4 不同收获期 (含水率) 对剪切力的影响
对不同收获期含水率不同的玉米秸秆进行剪切试验, 试验结果如图5最大剪切力-含水率变化曲线所示, 含水率越高, 剪切力越小, 越容易切削, 另外后期收获的秸秆不仅含水量下降, 同时纤维素和木质素的含量提高, 也会使最大剪切力增大。
2.5 茎节状况对剪切力的影响
对玉米茎节部位进行剪切试验, 结果表明茎节处比同一生长部位的无节处剪切力小得多。
2.6 纵向试验
以上为玉米秸秆横向试验, 根据秸秆饲草化的工艺要求, 秸秆最好能在剪断后被撕成丝状, 提高适口性。为此, 安排了玉米秸秆纵向剪切试验与横向试验作对比。试验结果表明纵向剪切要比横向剪切容易得多, 最大剪切力要比横向剪切小十倍以上。
3 结 论
由玉米秸秆的横向剪切和纵向剪切试验结果表明, 纵向破碎要比横向破碎容易的多。刀刃角、剪切速度、含水率、生长部位和茎节状况对秸秆横向破碎都有不同程度的影响, 其中横向破碎的主要影响因素是含水率、生长部位和茎节状况 (是否在节位剪切) ;纵向破碎的主要影响因素是茎节状况。
玉米秸秆作为饲料应在玉米籽粒成熟的前提下尽早收获, 随着收获期的延长, 秸秆中含有的纤维素和木质素含量增加, 消化率急剧下降[7], 剪切力急剧上升, 因此, 用于作饲草的秸秆越早收获营养成分越好。
参考文献
[1]洪级曾, 王璧.中国草业发展现状及战略构想[J].畜牧与饲料科学, 2004, (1) :1-4
[2]张彦河.玉米秸破碎力学特性的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报, 2003, 15 (4) :43-45
[3]高祥照, 马文奇等.中国作物秸杆资源利用现状分析[J].华中农业大学学报, 2002, 21 (3) :242-247
[4]吕小荣, 努尔夏提.朱马西.我国秸秆还田技术现状与发展前景[J].现代化农业, 2004, (9) :41-42
[5]董卫民, 张少敏, 李风兰, 等.秸杆饲料开发利用现状及前景展望[J].草业科学, 2002, 19 (3) :53-54
[6]刘鸿文.材料力学 (第3版) [M].北京:高等教育出版社, 1992:115-116
剪切装置测试系统设计 篇7
在钻井、测井等井下仪器在作业过程中,当工作压力超过规定值时,就会造成仪器或工具损坏、断落等事故发生。这类事故在国内外常有发生。销钉剪切试验装置是一种用于精确测量剪断和挤压装配在封隔器等其他井下工具上剪钉、剪切环力大小值和一些弹性工具的伸缩应变的测试装置。本剪切检测装置真实的模拟工具的使用情况,精确测试剪断销钉的力值、剪切强度及形变量的大小,使井上操作更加精确和具体化。本次设计旨在准确的测出销钉剪切强度,在原有液压系统的基础上,根据测试环境选用探头、设计硬件电路及测试软件,使测试装置结构简单、操作方便、成本低廉、测试精度高、安全可靠。
1销钉剪切测试系统硬件设计
以液压系统为研究对象,开发精准的测试系统,可在不同规格、不同材质、不同销钉数量的情况下,给以精确的测试结果。选用感知位移和压力的传感器及高精度的数据采集卡,数据采集卡的传输方式为USB总线传输,可直接和计算机的接口相连来传输数据,与上位机软件构成试验数据的采集、处理、保存以及波形分析系统。销钉剪切试验装置的结构主要由三部分组成 :液压系统,模拟地层、钻具装置,探头及硬件电路。
1.1液压系统
图1为液压传动系统的组成结构。其工作原理是液压泵从油箱吸油,液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能。液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸无杆腔,推动活塞上移,液压缸的有杆腔排出的液压介质经换向阀流回油箱。换向阀换向之后液压介质进入液压缸有杆腔,使活塞下移。改变节流阀的开口可调节液压缸的运动速度。液压系统的压力可通过溢流阀调节。
1.2模拟地层及钻具的机械构造
将销钉经图2所示内筒的螺纹卡在中轴的卡槽上,外筒经工作台螺纹固定卡紧内筒,作为模拟地层。中轴、销钉、内筒构成模拟钻具,销钉是装配在封隔器等其他井下工具上的螺钉。
装置原理图如图2所示,当销钉装上后,将工作手柄打到开,活塞杆链接着中轴,模拟钻杆钻进,此时活塞杆推动中轴上升,这一过程中剪断销钉,当听到内筒掉下的声音时,销钉剪断,剪切完成。此时将控制档位的手柄拉在关,活塞杆下降,回到初始位置,为下次试验做准备。在这一过程中,油缸压强、剪切力及活塞杆位移均由上位机软件实时监测,以防测试事故发生。
1.3传感器的选用及硬件电路设计
(1)传感器的选用
根据销钉剪切测试系统的测试目的、测量范围、性能指标、测试条件等要求对传感器需进行合理的选择 , 本装置选用西安新敏电子科技有限公司CYB系列的电流型压力变送器和康宇测控公司的KYCM系列的瓷致伸缩位移传感器。该压力变送器可适应工业各种场合和介质,其主要特点是精度高,经线性处理最高优于0.1%FS,高精度、高稳定性、高可靠性,本质安全防爆型,耐磨损、抗冲击、防腐蚀,年漂移量小,使用温度范围宽 :-20~85℃。是传统压力表及传统压力变送器的理想升级换代产品,是工业自动化领域理想的压力测量仪表。KYCM系列的瓷致伸缩位移传感器是电压型位移传感器,具有非接触式测量、绝对量输出等特点。
由于选用的数据采集卡的输入信号类型为电压信号,需将压力传感器的输出信号转为电压信号,图3为信号转换电路,在由电源和传感器构成的回路中加上负载电阻,压力传感器输出电流信号的范围 :4-20mv。将信号变为2-10V的电压信号,需将负载电阻的阻值设为500Ω,由于以负载电阻R两端的电压信号作为有用信号,选用电阻变的十分重要,在这里采用军品级500Ω电阻,且在使用之前再次测量。
(2)信号调理电路
由于实验的销钉个数和材料不同,当销钉很细且材质软时,输出的信号会相对较小,系统噪声对其影响很大,所以设计信号调理电路,降低信噪比,确保数据采集的稳定性和可靠性。信号调理电路由一个电压跟随器、一个低通滤波器、一个减法器和一个放大电路组成。如图4所示,A1为电压跟随器,A2为低通滤波器和减法电路,A1为A2提供稳定、准确的基准电压,基准电压设为传感器上电以后的起始电压2V。R1、R2将供电电压分出2V给A2运放的正输入端,选定R1的阻值,R2选用可变变阻,使R1/R2=2/13,以便提供准确的2V基准电压,这里加跟随器是为了避免分压电阻对后级电路的影响。A2的减法电路R4/R5=R8/R7,此处均选用电阻20KΩ,经查阅资料,低通滤波器的截止频率可设为10KHz,f=1/2πRC,R=1.6K,C=0.01p F。A3为同向放大电路,结合信号调理电路实际信号输入分析,且数据采集卡的最大输入为10V,将放大倍数AV设为3,AV=1+R10/R9,R10=20 KΩ,R9=10 KΩ。
1.4数据采集板卡
系统选用北京阿尔泰USB2831数据采集板卡,是一种基于USB总线的数据采集板卡。见图5所示,为了信号方便接入测控系统,将三路信号线固定接入数据采集板的三个模拟量采集通道,在以后的实验中无需再次设计信号接入,方便实验操作。采集到的信号经USB数据线传输给上位机。
2上位机软件设计
2.1软件平台的选择
本文基于Labview软件和高精度的数据采集,编制USB采集程序和压力曲线监控软件,重新标定测量量程和参数,并实时显示工作推力、位移、速度、时间及相应波形图表,测试结果可通过控制台上的计算机显示、采集、记录、打印。用户可以把曲线以图片的形式保存到计算机中。最终达到提高销钉剪切装置采集准确度和控制精度的目的。
2.2设计思想
本软件设计时采用了前端用户界面结合数据库的方式来实现。前端用户界面采用Lab VIEW,后台数据库采用Microsoft Access数据库。前端用户界面的主要模块包括 :信号采集模块、信息保存模块、数据分析模块、查询打印模块和退出模块。信号采集模块主要通过USB2086采集卡来实现。采用3通道采集,采集的物理量有油缸有杆腔压强和油缸无杆腔压强及活塞位移。最终经过软件上的运算处理,显示出检测到销钉的剪切强度及整个测试过程的实时压力位移测试曲线等。在计算销钉剪切强度的过程中,用无杆腔压强减去有杆腔压强的差值计算,这样会降低测量误差。
(1)压力采集模块设计
压力采集模块主要实现对压力信号的采集,以及电压和压强之间的转换。上位机接收到的电压和压力转换公式如下所示 :
(2)位移采集模块设计
位移采集模块主要实现对位移信号的采集,。具体的电压和位移转换公式如下所示 :
2.3系统功能模块
软件系统设计框图如图6所示。主界面的设计采用了按钮式设计思想。通过点击不同的按钮来选择进入不同的功能模块。可以使试验操作人员清晰、方便的使用。系统主要由以下设计模块组成 :
(1)校准模块
校准模块主要对测试之前的误差进行校准,而且销钉剪切装置经过长期使用,会造成系统误差,为此需要对系统误差校准,设置此模块,无需硬件改动,使系统校准变得简单易行。
(2)测试模块
测试模块的测量范围包括 :时间 - 载荷曲线、位移 - 载荷曲线、载荷峰值、实时载荷、油缸压强(无杆腔和有杆腔的压强差)、剪切强度、实时位移。在测试开始之前,需设置采集的参数,如销钉数量、销钉直径。这个模块的设计基于事件结构,结合循环结构来实现,包括算法销钉的剪切数据的实现。具体计算剪切强度的方法如下所示 :
F :载荷峰值,n :销钉数量,r :销钉半径。这里需要注意的是销钉的半径为剪切有效半径,不能包含螺钉螺纹牙距。当实时测试结束后,鼠标点击测试界面的“保存”按钮,进入保存界面,在保存界面输入相关信息,然后点击“保存”按钮,保存的信息包含保存界面的所有消息,以便实验人员对其测量结果分析、比较。
(3)波形分析模块
在波形分析模块下,当选择开始时间、结束时间、产品名称和规格型号后,鼠标点击“查询”按钮,则系统从数据库中查询得到相关信息,显示在表格中。鼠标选择其中一种点击“添加波形”按钮后,添加的波形就会在波形显示区显示。对同一情况、不同情况实验测试波形对比分析,分析结束后,鼠标点击“清屏”按钮,波形显示区的波形就被清除。
(4)查询打印模块
查询模块可根据所需实验数据的信息查询相应的结果,如选择开始时间、结束时间、产品名称和规格型号后,鼠标点击“查询”按钮,则系统从数据库中查询得到相关信息,显示在表格中。可以查看查询到的不同结果,针对需求对所选测试信息进行打印。打印模板采用excel格式。
(5)退出模块
在主界面中,鼠标点击“退出”按钮,则退出整个系统。
3测试效果
表1为多次试验所做的记录表,通过此表可以得出,四个销钉的测试剪切强度数值几乎都落在设计剪切强度的范围内,两个铜销钉的测试结果都在设计剪切值之外,但差值不大,两个钢销钉的测试值则更接近设计剪切强度。分析得出结论 :1. 剪切的材料设计剪切强度越大,测试结果越准确。2. 一次剪切销钉个数越多,所测结果越准确。在系统噪声不变的情况下,销钉剪切装置的剪切力越大,则有用信号就越大,信噪比就会提高,测量值就会更精准。
4结语
钻具断落是钻井过程中经常碰到的事故,金属在足够大的交变应力的作用下,受力部位产生热能,使金属聚合力降低,形成裂纹,以致断裂。所以研制出能够监测钻进过程中钻具实时所承受的力及位移对钻井工程是相当有意义的。此装置系统作为模拟实验装置,通过以油缸无杆腔和有杆腔的压差作为测试信息的最初来源、设计信号调理电路、选用适当的传感器及高分辨率和高采样率的数据采卡、上位机软件数据处理等环节来降低系统误差。最终本系统作为检测剪切销钉强度的装置,成功的完成了期望得到的测试效果。
摘要：为了降低钻井过程中钻具损坏、断落等钻井事故的发生,研发模拟可监测钻具螺钉受力及应变的试验平台。以销钉剪切实验装置测试平台为对象,设计测试系统。根据已有液压系统的装置特征,选用传感器、设计信号调理电路及采用高分辨率的数据采集卡,设计、编制上位机软件。调试测试系统,最终销钉剪切装置的采集精度达到设计的剪切强度,并可实现不同销钉个数、材质及直径的多种工况下的测试剪切销钉强度的试验。
关于圆盘剪剪切工艺的探讨 篇8
圆盘剪的全名为圆盘式剪切机, 刀片呈圆盘状。其特点是通过选装的成对圆盘剪刃, 在带钢运行过程中完成剪切任务。为了保证冷轧钢带特别是冷轧汽车板边部的剪切质量, 必须高度关注影响圆盘剪剪切力和剪切质量的因素, 即圆盘剪上下剪刃的重合量、间隙量、刀片直径、刀片厚度、剪刃状态、剪切速度以及剪切冷轧钢带的钢种、性能和钢板的厚度、宽度等。
1 圆盘剪的功能介绍
1.1 重卷机组的工艺流程
1#重卷机组的工艺流程如图1所示。
本钢浦项1#重卷机组的圆盘剪位于质量检查台后, 设计它就是为了剪切带钢边部, 保证带钢的宽度符合相关要求, 消除冷轧钢带边部存在的缺陷, 从而取得优质冷轧或镀锌产品。通过伺服电机带动偏心圆传动轴传动来调节圆盘剪剪刃的间隙和重合量, 使圆盘剪具有较高的剪切力和精确的剪刃调整。圆盘剪要做到精确安装、调整和标定, 使剪切后的带钢边部没有缺陷, 进而达到标准和合同所要求的边部质量。
1.2 圆盘剪的剪切机理
圆盘剪是由上下错位、垂直的两片圆形刀片组合而成的。在工作时, 调出一定的间隙和重合量, 剪切通过两刀片之间的带钢。带钢通过两刀片之间时, 刀片给带钢施以一定的剪切力, 使带钢与刀片接触区域发生变形。随着咬入深度的增加, 带钢的变形量也会随之增加。当变形量达到一定程度时 (一般为带钢厚度的1/4~3/4) , 受压部分就从原板上断裂。下刀片装在内侧主要起支撑作用, 上刀片装在外侧主要起剪切作用。重叠量的记号为“+、-”, 剪刃重叠的时候为“+”, 相反的时候为“-”, 如图2所示。带钢的剪切面如图3所示。图3中, 挤压面为出现剪切变形之前被挤压的部分;剪切面为被剪刃剪切的部分, 有光泽;磨擦面则是剪刃和剪切面磨擦而形成的, 它是剪切面中被延伸率推下来的部分;断裂面是拉伸断裂的部分, 凹凸较严重的部分;毛刺则是带钢断裂时拉长的部分。
2 圆盘剪剪切常见缺陷及原因
圆盘剪的间隙量、重合量、刀片平行度和刀片本身的状态都与带钢的剪切质量有极其密切的关系。在实际生产过程中, 因圆盘剪剪切而造成的质量缺陷主要有毛刺、啃边、下扣、划伤和剪切不断等问题。
当重合量大于合理值时, 可能会导致毛刺增加, 如图4所示, 并且剪刃磨损加大;当重合量小于合理值时, 不能进行切边工作。当间隙量大于合理值时, 可能会导致剪切面板形不良, 不能实现剪切或带钢划伤;当间隙量小于合理值时, 无法进行剪切工作。当剪刃磨损较大时, 剪切面板形不良;当剪刃掉齿时, 会周期性出现板形不良的剪切面, 比如啃边, 如图5所示。
3 圆盘剪主要工艺参数的选择
圆盘剪的主要工艺参数包括上下剪刃重合量和间隙量。
3.1 剪刃间隙量的选择
在设定合理的圆盘剪上下剪刃间隙时, 应当保证带钢的剪切断面光洁无毛刺, 圆盘剪所需要的剪切力最小。对于需要剪切边部的钢带, 调整圆盘剪上下剪刃间隙量主要是根据带钢的厚度和力学性能确定的。一般变形抗力较小的带钢调整圆盘剪上下剪刃间隙量时, 要比变形抗力较大的带钢小一些;薄带钢调整圆盘剪上下剪刃间隙量时, 要厚带钢的间隙量小一些。
圆盘剪的间隙量经验值为带钢厚度的1/10~1/9.
3.2 剪刃重合量的选择
圆盘剪上下剪刃重合量取决于带钢的厚度和力学性能。带钢厚度越薄, 其重合量相对越大;带钢厚度较大时, 可用相对厚度较小的重合量。在实际生产过程中, 剪刃的重合量装配不宜过大。当重合量装配过大时, 则会增加剪刃的磨损, 特别当刀片瓢曲不平时, 很容易造成上下剪刃互相啃伤。同时, 如果重合量过大, 在剪切时, 带钢会往下弯, 毛边往上翘, 容易造成边丝跑出, 引发事故。
圆盘剪的重合量经验值为带钢厚度的1/3~1/2.
4 结论
综上所述, 在本钢浦项冷轧重卷机组的带钢生产中, 圆盘剪是精整生产最重要的生产设备, 使用圆盘剪剪切带钢边部也是冷轧产品生产中重要的工序之一。为了确保冷轧产品的质量, 边部尺寸要精确并且无质量缺陷, 必须正确地选择圆盘剪工艺设备。只有科学管理、仔细调整、精心操作, 才能最终生产出高品质的冷轧产品。
参考文献