杜佩明+何尚文

摘 要 工程材料在加工過(guò)程中存在殘余應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)效便是削減殘余應(yīng)力的一種方法。它通過(guò)外加振動(dòng)使其與工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力矢量和超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，利用材料發(fā)生的微量塑性變形來(lái)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(duì)振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行振動(dòng)力學(xué)的分析和討論，對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝的選擇有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 振動(dòng)時(shí)效；振動(dòng)力學(xué)；分量

中圖分類號(hào) G3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）06-0004-02

振動(dòng)時(shí)效英文縮寫為VSR，由于本身具有其他相關(guān)工藝技術(shù)沒(méi)有的綜合性優(yōu)勢(shì)，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(jìn)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(guò)程中都得到了成功的使用。振動(dòng)時(shí)效在應(yīng)用的過(guò)程中具有明顯的綜合效果。所以振動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性特點(diǎn)分析殘存應(yīng)力作用，同時(shí)能夠?qū)偠确植紶顩r形成大致了解。通過(guò)不同應(yīng)力作用下的微觀塑性能夠?qū)φ駝?dòng)進(jìn)行一定的分析。

1 振動(dòng)時(shí)效中的殘余應(yīng)力

構(gòu)件承受荷載時(shí)，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(dá)到屈服強(qiáng)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(qiáng)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(shí)將降低其抗沖擊斷裂和抗疲勞破壞的能力。此外，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的存在，對(duì)構(gòu)件的固有頻率、阻尼等參數(shù)將產(chǎn)生影響[ 1- 3 ]。原機(jī)械部頒發(fā)的振動(dòng)時(shí)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(diǎn)，即可判定為出現(xiàn)了振動(dòng)時(shí)效效果[4]，由此推斷出振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中構(gòu)件固有頻率發(fā)生了變化。

2 振動(dòng)時(shí)效中的屈服極限

振動(dòng)時(shí)效理論在進(jìn)行均化和減弱結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的殘余應(yīng)力時(shí)，常常會(huì)使用共振動(dòng)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(gè)區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)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(huì)由于形變的原因促進(jìn)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(gè)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(shí)知道，不同材料構(gòu)件的屈服極限和應(yīng)力的瞬時(shí)值并非一成不變，而會(huì)隨著材料應(yīng)變效率的增加而增加，這就是振動(dòng)時(shí)效下產(chǎn)生的應(yīng)變效率反應(yīng)。即振動(dòng)時(shí)效中的屈服極限有著動(dòng)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(dòng)頻率的選擇

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是在外加激振力的響應(yīng)下實(shí)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?dú)堄鄳?yīng)力對(duì)固有頻率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以對(duì)振動(dòng)頻率的討論顯得便尤為重要了。振動(dòng)時(shí)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(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)求解到。由圖1中可以看出共振時(shí)，可用較小的外激力產(chǎn)生較大的振幅和動(dòng)應(yīng)力。

所以此時(shí)消除殘余應(yīng)力效果也比較好。但由于一個(gè)多自由度系統(tǒng)有多個(gè)固有頻率，所以使系統(tǒng)共振時(shí)有多個(gè)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(dòng)時(shí)效中的激振力和激振時(shí)間

振動(dòng)時(shí)效中的激振力來(lái)源于偏心轉(zhuǎn)子在電機(jī)中產(chǎn)生的離心力F。其值可由下面的公式計(jì)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(shí)間是以振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的宏觀特征變化來(lái)確定的。不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為只要使動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力矢量和大于材料的屈服強(qiáng)度就可以達(dá)到技術(shù)要求。對(duì)于激振時(shí)間的確定，可由振動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知在確定了共振頻率之后，可計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)周期Td作為參考。計(jì)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(dòng)時(shí)效中振動(dòng)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(shí)的局部性，即在外激力的作用下有多個(gè)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(gè)共振峰振型的疊加下，最終實(shí)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(shí)會(huì)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(duì)殘余應(yīng)力的消除也有不同效果。

2）振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用為其微觀和理論機(jī)理的深入研究奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)使用的對(duì)象往往是結(jié)構(gòu)組成都較為復(fù)雜的構(gòu)件，而且在實(shí)踐過(guò)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(shí)發(fā)生的激振力逐漸循環(huán)提高，構(gòu)件上的振動(dòng)波也會(huì)隨之在多個(gè)方向和自由度上進(jìn)行傳播，也會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生一定程度的形變，這一系列的過(guò)程也是振動(dòng)時(shí)效理論區(qū)別于一般振動(dòng)分析的地方。

6 結(jié)論

綜上所開(kāi)展振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)力學(xué)的研究，不僅能為機(jī)械振動(dòng)的經(jīng)典理論加以詮釋，還能提出新穎的觀點(diǎn)推動(dòng)現(xiàn)有振動(dòng)時(shí)效相關(guān)課題的研究進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]高永毅，蘇志宵，焦群英，等.殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件固有頻率影響的討論[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（2）：289-292.

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

[3]李文威，董學(xué)武，王東強(qiáng)，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(bào)，2007，18（2）：7-10.

[4]胡永會(huì)，吳運(yùn)新.振動(dòng)時(shí)效中殘余應(yīng)力與固有頻率的相互作用[J].材料研究與應(yīng)用，2012，6（1）：14-20.

[5]高葛，張鎖懷.對(duì)振動(dòng)時(shí)效三個(gè)主要參數(shù)的探討[J].工藝與工藝裝備，2004（5）：58-60.