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喷丸残余应力场的耦合建模与有限元分析仿真

发布于:2016-04-09 18:56
有限元分析

      喷丸强化是一种能提高工件表面疲劳寿命的工艺。它通过大量弹丸介质以高速反复撞击工件表面,在工件表面形成均匀残余压应力层。该残余压应力层可抵消工件表面的拉应力,从而有效阻止裂纹的萌生和扩展,显著提高工件疲劳寿命,被广泛应用于航空、军工、汽车等领域。因实验方法耗时耗力,且所用的阿尔门试片不能精确反应残余压应力的大小和分布。
      随着计算机技术和有限元分析技术的发展,已出现许多基于有限元法研究喷丸残余应力的数值模型。通过建立单丸粒对称模型,对塑性变形工件进行了仿真通过建立单丸粒动力学模型,研究了弹丸和靶材尺寸对塑性应变及残余应力的影响,利用多丸粒对称模型对喷丸强化过程进行了系统的分析。凌祥等建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型。路会龙等分别建立单、多丸撞击模型,指出弹丸撞击速度存在最优值。张洪伟等利用有限元App分别建立单、多丸对称胞元模型,利用单丸模型研究弹丸速度、直径、入射角,摩擦系数和重复撞击次数对残余应力及塑性应变的影响,通过分别取个弹丸建立对称胞元模型,分析不同覆盖率对残余应力场的影响。上述有限元模型仅涉及单丸或数量有限的多丸,属微观模型,与采用大量弹丸反复撞击工件表面的实际喷丸过程存在明显差异。
      采用耦合方法针对高强度铝合通过显式动力分析App,进行了大量弹丸反复撞击工件表面的喷丸强化过程数值模拟,基于两类不同材料属性的粒子模拟弹丸流,研究了弹丸速度、喷丸时间等对喷丸残余应力的影响以及工件表面各典型位置处残余应力的分布规律,数值模型的建立两类,粒子均匀混合模型。采用两种粒子分别表示空气和离散弹丸,其中,空气对应的粒子采用常规气体状态方程,弹丸对应的粒子采用离散固体的状态方程。两类粒子间的相互作用通过形函数的特殊定义实现,即在表示粒子形函数的相邻粒子支撑域中可包含两类不同性质的粒子。
      针对有限元法难以模拟大量弹丸群集撞击的喷丸过程,采用耦合法进行了喷丸过程数值建模与分析。仿真结果如下:
      (1) 最大残余压应力值及所在次表层深度均随弹丸速度的增加而增加。故应根据最大残余压应力及应力层的深度要求合理选择喷丸速度。
      (2) 开始时,随着喷丸时间的增加,最大残余应力值增大,达到一定时间后,继续增加喷丸时间,残余应力变化甚微,最大残余压应力的变化幅度小于,达到喷丸饱和状态。
      (3) 弹坑中心点处最大残余压应力值较高且位于次表层,两坑交汇处的最大残余压应力值较中心点低且其次表层深度较浅,未受撞击点处的最大残余压应力发生在表面上。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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