局部表面納米化提高金屬板強(qiáng)度研究.pdf

1、金屬板結(jié)構(gòu)在工程中有著廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來對(duì)此類結(jié)構(gòu)的安全問題一直被人們普遍關(guān)注。板的強(qiáng)度問題與結(jié)構(gòu)的安全性密切相關(guān)。減輕板結(jié)構(gòu)的重量且增加其強(qiáng)度一直是人們追求的目標(biāo)。一般說來，薄板結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較大變形，其變形特征受邊界條件和外部荷載制約。當(dāng)板結(jié)構(gòu)受到外部載荷作用時(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力分布的不均勻性和應(yīng)變的局部化。往往在這些局部區(qū)域，板也更容易發(fā)生破壞。板的局部區(qū)域增加強(qiáng)度是一種有效的手段。通常采用更換材料或改變邊界支撐條件和添加附加結(jié)構(gòu)等方

2、法可增加抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。然而，這樣會(huì)改變結(jié)構(gòu)布局，需重新設(shè)計(jì)校核。且該布局也改變了外表，對(duì)美觀產(chǎn)生影響。本文一改傳統(tǒng)的研究方法和思路，試圖研究一種既不改變材料和結(jié)構(gòu)外表形狀，又增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法和技術(shù)。該方法的特點(diǎn)為將薄板結(jié)構(gòu)材料的表面進(jìn)行局部表面納米化。借助于局部表面納米化技術(shù)改變材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不僅可以達(dá)到在受拉伸或彎曲等荷載作用下對(duì)薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，而且可實(shí)現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和降低局部位移的目的。這樣可以發(fā)揮材料和結(jié)構(gòu)的

3、最大效能。從而提出一種新的薄板結(jié)構(gòu)對(duì)其承受荷載下變形的控制方法和設(shè)計(jì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部特性的解決思路。在論文中采用有限元分析方法對(duì)問題展開數(shù)值模擬，得到如下研究成果:
　　1.提出一種增強(qiáng)矩形薄板整體抗拉和抗彎強(qiáng)度的局部表面納米化布局方法。分別分析在薄板受拉伸和彎曲時(shí)，通過局部表面納米化對(duì)薄板主要承載區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其在納米處理后薄板整體位移有大幅度減小，且局部納米化區(qū)域布局在應(yīng)力集中區(qū)域或應(yīng)力較大的區(qū)域效果更明顯。分析了外載荷的

4、大小和不同約束情況下對(duì)薄板位移的影響。結(jié)果表明局部表面納米技術(shù)可以提高抗拉剛度和抗彎剛度，外載荷和約束的情況也對(duì)薄板變形較大影響。
　　2.針對(duì)金屬薄板應(yīng)力集中問題，提出一種局部表面納米化布局方案。考慮各種形狀且具有多個(gè)應(yīng)力集中情況的薄板，對(duì)薄板中易應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行局部表面納米化。研究結(jié)果表明，在同樣荷載條件下，受拉伸薄板的最大位移明顯減小。結(jié)果還表明，薄板的整體表面進(jìn)行納米化并不是最佳方式。而合理的局部表面納米化布局也可實(shí)現(xiàn)不僅

5、降低應(yīng)力集中系數(shù)，而且整體最大位移的減小。可以看出，局部表面納米化布局既可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且可以降低加工工藝的難度和節(jié)約成本。算例表明，可減少表面納米化區(qū)域的80％。這樣可以優(yōu)化納米化加工工藝。
　　3.考慮有孔洞的金屬薄板強(qiáng)度問題，給出一種局部表面納米化布局方法。根據(jù)含孔洞薄板的特殊性，提出一種孔洞附近的覆蓋方法和局部納米化程度方法。以矩形孔洞的薄板為例，進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，孔洞附近覆蓋納米化方法可以使得薄板位移大幅減小。