300M钢喷丸强化残余应力场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS 6.12,建立了300M钢喷丸强化有限元模型,利用单弹丸多次冲击靶材的方式模拟喷丸过程中靶材表面发生的循环塑性变形。在控制相同动能输入的条件下,分别选取3种喷丸工艺,对不同喷丸工艺处理后的残余应力场进行有限元模拟并加以比较。结果表明:控制动能输入而改变弹丸尺寸与速度的3种工艺中,弹丸尺寸与速度分别为0.8mm与37m/s时,靶材获得"饱和"残余压应力场所需冲击次数最少,"饱和"残余应力场的分布也各不相同,残余压应力场强度是多个工艺参数的函数。     

基于位错密度理论的喷丸强化诱导7050铝合金组织细化数值模拟

7050铝合金喷丸过程中微观组织演变机理及纳米化结构与工艺参数的关系还没有得到广泛研究。基于位错密度理论对喷丸强化诱导7050铝合金表层晶粒细化进行研究。利用有限元方法模拟7050铝合金受单个和多个喷丸冲击过程,建立将喷丸强化的有限元模型与累积塑性应变引起的位错密度演化模型相结合的混合数值模型,并利用遗传算法得到混合模型的数值参数,用以预测喷丸强化层的位错密度和晶粒尺寸梯度分布,为研究喷丸强化7050铝合金的组织结构强化机理提供依据。建立喷丸尺寸、速度和覆盖率等工艺参数与强化层内晶粒细化结构的物理联系和数量关系。结果表明,从单个喷丸冲击到大量随机喷丸冲击过程都会在强化层内产生显著的晶粒细化;强化层内位错密度增加、晶粒细化的程度以及强化影响深度随着喷丸覆盖率、速度、尺寸的增加而增加;较高的喷丸覆盖率和强度可生成纳米级晶粒结构表面层。综合运用JC本构有限元模拟、四阶五级RKF算法解方程、遗传算法优化调参、概率约束方法控制随机喷丸以及VUMAT子程序定义本构关系,实现7050铝合金喷丸强化微宏观联系的定量研究,可为设计7050铝合金喷丸工艺参数获得所需纳米结构提供理论依据。     

大型机翼整体壁板喷丸延展量数值模拟

分析了大型机翼整体壁板在喷丸成形及强化过程中产生延展变形的机理,并介绍了几种喷丸成形数值模拟的方法;对于弹丸不重叠排布的情况,采用长方形和三角形两种喷丸覆盖率计算模型,对于弹丸随机排布发生重叠的情况下,采用Avrami覆盖率计算模型,通过多弹丸撞击长方体胞元的有限元模拟方法,得到弹丸撞击后靶材的表层诱导应力场的分布规律;进而采用直接应力法建立了预测喷丸成形及强化延展变形的有限元模拟方法,通过试板喷丸成形参数和试板弯曲及延展的变形规律的试验,验证了其有效性,进而将其应用于C919机翼下前整体壁板板坯延展量的模拟,取得了与试验吻合较好的结果。     

铝合金喷丸工艺参数-表面特征值的函数关系与应用

目的 探究喷丸强化工艺后铝合金材料表面性能的变化规律,得到材料表层应力和变形与喷丸工艺参数间的对应关系。方法 采用Box-Benhnken实验设计法（BBD）,以喷丸压力、丸粒大小、喷射距离三因素为自变量,以表面残余应力与弹坑变形量为响应,设计了3因素3水平喷丸实验方案,并运用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA建立多弹丸撞击铝合金靶材的有限元模型,依据实验方案获得表面应力值与弹坑处变形量。然后,使用Design-Expert软件对数值进行拟合,得到多元回归二次方程,运用响应面分析法（RSM）进行分析,讨论各因素之间的交互作用,同时,根据回归方程的方差分析结果,确定模型的拟合程度。最后,以7075-T651铝合金为靶材,进行喷丸验证实验,结合XRD应力测试与弹坑剖面光学显微观察,得到应力值和变形量,以检验模型的准确性。结果 应力函数模型和变形函数模型的校正决定系数Adjusted R2分别为90.13%、91.68%,应力计算值和实验值结果偏差小于5.5%;剖面晶粒变形显示靶材变形层与计算值吻合较好,表明函数模型具有较高的准确性。结论 该函数模型能够快速准确地由材料表面应力或变形推导出喷丸工艺参数配置,这为喷丸表面应力和硬度强化提供多样性参考。     

铝合金喷丸应力-变形的仿真分析与实验

目的 揭示喷丸处理对7075-T651铝合金材料表面应力场和形貌改变的作用机制。方法 首先利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件分别建立单颗弹丸和多颗弹丸撞击铝合金靶材的有限元模型,并在符合实验外场边界条件的前提下,获得材料表面200 μm深度的内应力分布和不同撞击次数后的表面变形情况。然后通过实验所测结果修正模型丸粒撞击参数,包括网格划分密度、丸粒撞击次数、接触速度等,并结合仿真计算结果阐述喷丸表面应力分布和变形强化层的形成机理。结果 计算与实验结果对比表明,喷丸仿真模型的计算结果与实验吻合较好。一方面,表面逐层应力分布规律与喷丸实际接近,表面应力最大偏差小于25 MPa,这说明模型中设置的喷丸强度正确。另一方面,6次弹丸撞击造成的强化层变形率小于6%,并逐步趋于稳定,这与实验中采用多次喷丸表面覆盖导致的材料硬化现象一致,从而间接说明靶材模型单元与参数设置的准确性。结论 分析认为,喷丸建模方法能够快速准确地计算出材料表面应力-变形状况,为揭示喷丸工艺对材料表面的强化规律发挥积极作用。     

[例45] 喷丸强化技术在关键零部件中的应用

正表面喷丸强化是提高机械零部件疲劳寿命和应力腐蚀抗力的关键制造工艺,具有强化效果明显、操作简便及成本低廉等优点。喷丸过程中高速弹丸流反复击打材料表面,导致其表层发生明显塑性形变,进而引入残余压应力场、产生细化组织结构及诱发残余奥氏体向马氏体转变。实用的喷丸工艺包括:强化喷丸、精整喷丸、抛光喷丸、预应力喷丸、温度喷丸及复合喷丸。利用有限元计算方法,可数值模拟零部件喷丸残余压应力及其分布,预测出合适的喷丸工艺参数。通过喷丸工艺、喷丸设备和弹丸之间的黄     

基于均匀设计的喷丸指标响应面模型建立及应用

针对2024-T351铝合金试验件,利用直径Φ3. 18 mm大尺寸弹丸,选取喷丸气压、进给速度及弹丸流量3个重要喷丸工艺参数,通过设计均匀试验并运用MATLAB软件对喷丸试验结果进行逐步回归分析,建立弹坑直径、弹丸速度和覆盖率3项喷丸指标与喷丸工艺参数间的二阶响应面模型。利用该模型并结合多弹丸撞击有限元模型获得相应喷丸工艺参数下的平均诱导应力场,从而实现喷丸成形应力场法数值模拟。模拟变形结果与试验变形结果对比表明模拟值均小于相应试验值,最大误差14. 8%,平均误差9%,二者符合较好,表明基于喷丸指标响应面模型的应力场法数值模拟方法完全可以应用于喷丸成形数值模拟分析。     

喷丸工艺对7075铝合金表面粗糙度的影响

为探讨7075铝合金构件表面粗糙度与喷丸工艺参数的关系,采用ABAQUS三维有限元模拟软件建立了单个玻璃弹丸的撞击模型,在有限元分析的基础上,根据所得到的单个弹坑的几何尺寸,提出了表面粗糙度特征值Ra的理论预测模型。针对不同的弹丸直径、喷射气压、喷嘴距离以及喷丸覆盖率等喷丸工艺参数下的粗糙度值Ra进行了理论预测,并与实际7075铝合金喷丸后的表面粗糙度Ra进行了对比。结果表明,粗糙度特征值Ra随弹丸直径和喷射气压的增加而增加;Ra随覆盖率的增加呈现先增加后减少的变化趋势;喷嘴距离在一定范围内的变化对Ra几乎没有影响;Ra的预测值与实测值吻合良好,预测模型具有较高的可靠性。     

大型复杂结构件加工变形有限元快速仿真方法

针对大型复杂薄壁结构件加工变形有限元仿真效率低,不易实现全尺寸、完整结构状态下加工变形准确预测的突出问题,基于ABAQUS软件的有限元仿真及其二次开发技术,提出一种采用连续多个静态隐式分析步模拟三维动态显式有限元仿真的方法,研究了自动加载与卸载切削力载荷和分析及识别最大加工变形等关键技术,实现了大型复杂薄壁结构件完整结构全尺寸条件下、按照复杂走刀路径进行切削仿真的加工变形有限元快速仿真预测,通过切削测量实验,验证了仿真结果的准确性,为该类零件加工变形预测技术研究提供了新的技术手段。     

TC4钛合金准干式电火花表面强化温度场-应力场特征研究

工件表面温度场和应力场是制约电火花强化效果的关键因素。运用ANSYS的热-结构耦合技术,进行雾状介质电火花表面强化钛合金温度场有限元模拟仿真,并以温度场计算结果为初始条件计算得到应力场。使用模型中的强化工艺参数进行雾中电火花表面强化钛合金实验。利用Hitachi-4700型扫描电镜观察强化后的表面微观形貌,用402MVD型自动转塔数显微维氏硬度计测试强化前后试件表面硬度值。强化实验结果与模拟仿真结果进行对比分析后得出结论,有限元方法模拟电火花强化表面温度场可以对强化过程进行前期预测和工艺参数优化,提高强化质量并避免盲目直接进行强化实验。     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

基于正交实验和数据驱动的喷丸表面完整性参数预测

目的 探究喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6滚子表面完整性的影响规律,得到喷丸工艺参数与表面完整性的映射关系,提高喷丸工艺的质量与效率.方法 运用Python语言对Abaqus进行二次开发,建立喷丸仿真的随机多弹丸模型并进行了试验验证.设计正交实验研究喷射角度、喷射速度、弹丸直径、覆盖率及弹丸类型对残余应力与表面粗糙度的影响规律,并用随机森林算法得到各个工艺参数对喷丸综合效果的重要度值.以喷射角度、喷射速度、弹丸直径、覆盖率、弹丸类型、距表面深度为输入,残余应力和表面粗糙度为输出,建立基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型.结果 通过正交实验分析得到弹丸直径和喷射速度对表面粗糙度有显著影响.各个喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6滚子的喷丸综合效果的重要度依次为:喷射角度0.249,喷射速度0.224,弹丸类型0.193,覆盖率0.173,弹丸直径0.161.在各个工艺参数范围内,较优的工艺参数组合为:喷射角度90°,喷射速度80 m/s,弹丸直径0.7 mm,覆盖率300％,弹丸材料为铸钢丸.基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型的平均相对误差低于7％.结论 基于神经网络的喷丸表面完整性参数预测模型可以较准确地表示喷丸工艺参数与表面完整性参数之间的映射关系,能够为喷丸工艺提供相关参考.     

喷丸对铝合金亚表面裂纹闭合修复的影响与试验

目的 研究喷丸修复7075-T651铝合金亚表面裂纹的愈合机理及修复效果。方法 建立材料亚表面裂纹在喷丸作用下的修复模型,运用Ansys进行数值模拟计算,并预测裂纹深度修复阈值;根据模型,利用线切割制造相应的裂纹,并对其进行喷丸修复,从残余应力、疲劳强度、微观结构等方面分析裂纹愈合的机理,并评估修复效果。结果 仿真结果表明,在弹丸直径D=0.5 mm、弹丸速度v=100 m/s时喷丸修复效果最佳,裂纹修复深度阈值为0.15mm;裂纹修复区域的表面应力为非裂纹区域的83.17%,实验结果与仿真结果相符;在修复裂纹后,试件的疲劳强度可以达到完好试样的70.32%。剧烈的喷丸冲击使裂纹亚表面材料产生较大的微观形变热,有利于组织形变,促使裂纹两侧的晶粒组织形成闭合挤压,宏观上表现为压应力下组织的紧密闭合,这种闭合起到了修复裂纹的作用,整体上属于物理性修复,但仍无法完全消除裂纹对材料的消极影响。结论 喷丸通过压力作用对亚表面材料的裂纹进行闭合修复,使材料的疲劳强度得到恢复,这对于铝合金结构件裂纹的早期修复和应急性修复具有积极作用。     

基于CFD-DEM仿真的喷丸工艺参数优选

目的综合考虑喷丸过程的能量效率,以最少喷打时间和最小比能为目标进行喷丸工艺参数优选。方法通过分析弹丸群以单对称单元模型喷打的弹痕排布方式,以及满足一定覆盖率时平均每个弹丸形成的弹坑面积,得到随机喷打时的材料去除体积,进而得到能量利用效率。以喷丸入口压强、弹丸直径和弹丸流量三个工艺参数为变量,以一定覆盖率下的最小喷丸时间和最大能量利用率为目标,建立喷丸工艺参数优化模型。通过建立CFD-DEM气固两相耦合的喷丸仿真模型,进行仿真实验,得到出口弹丸速度与工艺参数的关系,进而得到每组实验的喷丸时间和能量利用率。结果通过16组仿真实验,得到第4组工艺参数为最优喷丸工艺参数组合,即入口压强为0.5 MPa,弹丸直径为1.0 mm,弹丸流量为0.6 kg/s。结论CFD-DEM仿真模型能够得到出口弹丸速度与其他工艺参数的关系,喷丸工艺参数优化模型能够兼顾效率和能量利用率,并筛选出最优工艺参数组合,为喷丸工艺参数决策提供指导。     

基于DEM-FEM的微粒喷丸仿真分析

微粒喷丸作为一种新兴的喷丸工艺,由于工艺试验数据与仿真技术的缺失,其作用机理尚未探明。基于 ABAQUS 二次开发,采用离散元与有限元(DEM-FEM)相结合的方法,构建考虑初始残余应力与硬化层梯度的随机多弹丸微粒喷丸弹塑性模型,探究微粒喷丸的喷射速度与覆盖率对残余应力分布和表面粗糙度的影响规律。发现随着微粒喷丸喷射速度的增加, 靶体表面粗糙度的算术平均偏差 Sa 线性增加;覆盖率达到 100%后,覆盖率大小对 Sa 与残余压应力分布影响不大;喷射速度对于微粒喷丸的最大残余压应力值影响不大,但对残余应力层的厚度有显著影响。通过 DEM-FEM 耦合方法对微粒喷丸机理进行探究,为工艺参数的制定提供理论支撑。     

AISI-304奥氏体不锈钢喷丸残余应力的有限元模拟

目的针对喷丸有限元模拟中多数模型的弹丸数量较少,不能准确反映喷丸过程中弹丸位置的随机性及喷丸覆盖率对残余应力场影响的问题,对喷丸过程的有限元模拟技术进行优化。方法基于大型有限元分析软件ABAQUS,使用python编程语言对弹丸在三维空间中的分布进行随机化处理,建立了随机多弹丸喷丸AISI-304奥氏体不锈钢的有限元模型。在喷丸覆盖率大于100%的条件下,模拟分析了喷丸工艺中弹丸的数量、尺寸和弹丸的速度对残余应力场的影响,结合试验对有限元模型的合理性进行了验证。结果增加弹丸数量可提高残余压应力层的厚度和残余压应力的最大值,当弹丸数量为90颗时,残余压应力场接近饱和;增加弹丸速度,靶材残余压应力的峰值、表面应力值及残余压应力场的深度值增大,残余压应力峰值出现的位置基本不变;增大弹丸的直径,靶材残余压应力峰值、峰值的位置、表面应力值及残余压应力场的深度值均明显增大。结论喷丸残余应力的试验测量结果和有限元模拟结果吻合,模型合理。     

喷丸处理Q235钢中晶粒尺寸与残余应力的关系预测

作为优异的表面处理工艺,喷丸表面处理能够提高金属表面性能,被广泛应用于航天航空领域。为了研究喷丸表面强化的内在物理机理,建立了喷丸冲击的力学模型,应用DYNA软件研究弹丸速度、半径和弹丸数量等因素对残余应力的影响。进一步利用Zener-Hollomon参数模型和动态再结晶公式计算出理论晶粒尺寸,并讨论残余应力与晶粒尺寸的演化规律。分析结果发现:弹丸速度、半径和弹丸数量的增大会使残余应力变大而晶粒尺寸相对变小。但并未发现残余应力与晶粒尺寸之间存在定量关系,表明这两种强化机制相互独立。     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

An analytical approach to relate shot peening parameters to Almen intensity

Shot peening is widely used in the automotive and aerospace industries to improve the fatigue strength of metal components by introducing near-surface plastic strains and compressive residual stresses. This mechanical treatment is primarily controlled by monitoring Almen (peening) intensity, which corresponds to the arc height at saturation of standardized test strips exposed to the shot stream. However, the same Almen intensity may be obtained by using small shots impacting the surface at high velocity or by using large shots impacting the surface at low velocity. This paper describes a model for predicting Almen intensity based on an analytical model for shot peening residual stresses. Theoretical results for different sets of peening parameters were consistent with published experimental results and revealed that although different combinations of shot peening parameters can produce the same Almen intensity, each combination resulted in a different through thickness residual stress distribution.