基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸仿真分析

目的 建立有限元–离散元耦合的喷丸模型,研究喷丸参数对空心稳定杆内壁残余应力场的影响规律。方法 基于ABAQUS有限元分析软件和“先整体后局部”的建模方法,建立26MnB5钢空心稳定杆全段和局部FEM–DEM喷丸模型,并对模型进行残余应力验证。通过局部喷丸模型研究弹丸撞击角度、速度、表面覆盖率和喷丸流量对稳定杆第4弯折处内壁残余应力场分布的影响规律。结果 残余应力场分布的实验值与仿真值的误差在7%以内,验证了模型的准确性。随着弹丸撞击角度的增大,最大残余应力和残余压应力层深也会随之增大,并在60°后达到饱和;当弹丸速度为80 m/s和100 m/s且弹丸数量为1∶1时,表面残余应力和最大残余应力分别约为?926 MPa和?1 309 MPa;随着弹丸覆盖率的增大,表面残余应力和最大残余应力均增大,但增幅变缓,在覆盖率为200%后基本达到饱和;随着喷丸流量的增大,表面残余应力和最大残余应力先增大后减小,在1.2 kg/min时达到最大值,分别约为?649 MPa和?1 049 MPa。结论 基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸模型能够很好地预测残余应力场的分布,该研究为空心稳定杆内壁喷丸工艺的数值模拟提供了研究思路和理论支持。     

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。     

喷丸强化过程及冲击效应的数值模拟

运用大型有限元软件LS-DYNA建立了喷丸强化处理过程的三维有限元模型, 研究了弹丸冲击作用下, 铝合金材料Al 2024-T3动态响应过程中的应力波结构、应变率效应及应力波衰减效应等动态参量; 研究了弹丸搭接率对于残余应力场的影响, 建立了高覆盖率多丸粒强化模型; 研究了冲击顺序、材料应变率及初始残余应力对强化效应的影响; 研究了喷丸强化后的表面微观变形特征. 分析结果表明, 弹丸高速冲击引起的弹塑性双波会在材料内部形成高应变率效应; 弹丸搭接率ζ对于强化效应有明显影响, ζ=1/2是近似的临界值; 不同冲击顺序对于强化效果的影响较小, 材料应变率对于强化效果有显著影响; 初始残余应力对于喷丸强化最终形成的残余应力场的影响取决于弹丸冲击速度; 经过喷丸强化处理, 零件表面形成微米级凹坑, 并且随着冲击次数和喷丸覆盖率的提高, 凹坑深度逐渐增加.     

基于SPH结合FEM的喷丸残余应力数值模拟

针对以往有限元模型中弹丸数量较少且为规则阵列排布的缺陷,采用光滑粒子流体动力学法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)与有限元法(Finite element method,FEM)相结合的方法,对喷丸过程进行数值模拟;使用MATLAB对弹丸空间位置坐标进行随机化处理,形成了大量丸粒冲击工件表面的随机喷丸仿真模型。通过分析确定了喷丸饱和时间,研究了喷射角度、弹丸流量对残余应力场的影响。结果表明:在喷丸参数一定的条件下,存在相应的饱和喷丸时间;研究喷丸参数对残余应力的影响时,应在喷丸达到饱和时间之后提取残余应力值;喷射角度增大,残余压应力增大;开始时弹丸流量增大,残余压应力会有所增大,但当其达到饱和值后,残余压应力不再变化。     

后混合水射流喷丸工艺对18CrNiMo7-6渗碳钢表面性能的影响

目的探究不同后混合水射流喷丸工艺对18Cr Ni Mo7-6渗碳钢表面性能的影响。方法运用超景深三维显微系统、三维表面形貌测量系统、X射线残余应力分析仪及HV-1000显微硬度计等,对后混合水射流喷丸前后试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力及显微硬度随层深的变化情况进行分析。结果后混合水射流喷丸时,弹丸和水会对试样表层产生一定的冲蚀、磨损、剪切作用,使试样表面产生新的凹坑。表面粗糙度Ra值随着喷射压力P及喷射靶距H的增加而增大,随着喷嘴移动速度v的增加而减小。试样显微硬度最大值都出现在表面,且随层深的增加,硬度值逐渐减小,喷射压力P=300 MPa时,表面硬度值达到62.8HRC,比试样初始表面硬度值增加了7.35%。试样材料所能引入的残余压应力具有固有最大值σmirs,当引入的残余压应力未达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs随喷射压力P的增加而增大,但随喷射靶距H和喷嘴移动速度v的改变变化不大。当引入的残余压应力达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs即为σmirs,不再改变,但是最大残余压应力距表面距离值zm仍会随着喷射压力P的增加而增大。结论后混合水射流喷丸后,试样表面粗糙度变化较大,表层显微硬度有一定提高。残余应力的分布主要与喷射压力P有关,而与喷射靶距H和喷嘴移动速度v关系不大。     

单丸粒和双丸粒喷丸模型的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,运用ABAQUS有限元软件模拟喷丸过程,建立了单丸粒和双丸粒的三维有限元模型。研究了弹丸速度、弹丸半径及靶材几何特征对残余应力场和等效塑性应变影响的一般规律,并研究了二次冲击时弹丸速度和弹丸半径对强化效果的影响。单丸粒喷丸模型的仿真结果表明,随着弹丸速度和弹丸半径增大,表面残余压应力、残余压应力最大值及残余压应力层深度均增大,等效塑性应变层深度也随之增大。单丸粒喷丸强化不同几何特征靶材表面时的强化效果从大到小依次为凹槽面、平面、圆柱面和球面。双丸粒喷丸强化在靶材表面引入的残余应力和最大残余应力均大于单丸粒喷丸。当第2个丸粒选择较小的弹丸半径时,可在靶材浅表面形成更大的残余压应力。     

微粒子喷丸对靶材残余应力场的影响

为了研究微粒子喷丸多颗粒冲击靶材时的残余应力场,建立了1个中心粒子周边均布6个粒子的7粒子冲击模型。应用有限元软件,对微粒子搭接率、冲击速度、冲击角度、直径等喷丸工艺参数对中心粒子冲击坑中心点处残余应力场的影响进行了仿真研究。结果表明:当搭接率ζ≤0.5时,ζ的变化对残余压应力场深度没有影响,而ζ=0.75是表面残余压应力S_S变化的分界线,只有在ζ＞0.75时,残余压应力场的4个特征值才均随着ζ的增大而增大;增大微粒子直径、减小冲击角度,有利于增大残余压应力场的深度,但同时也会减小残余压应力场的大小。增大微粒子的冲击速度,残余压应力场的深度增大,而残余压应力场的大小呈现一定的波动性,但是两者均在冲击速度为200 m/s时取得最大。     

外圆纵向磨削工艺对18CrNiMo7–6钢表面完整性的影响

为了探究工件转速n_w、磨削深度a_p和纵向进给速度v_f等磨削工艺参数对18CrNiMo7–6钢表面粗糙度和表层残余应力的影响,用端面外圆磨床开展其单因素外圆纵向磨削试验。结果表明：随着n_w的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,当nw为120 r/min时,R_a达到最小值,此时工件表面的残余压应力最大;当n_w大于120 r/min时,工件表面残余应力出现起伏。随着a_p的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,工件表面残余拉应力随着磨削深度的增大而增大。随着v_f的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,当v_f为210mm/min时,R_a值最小;且随v_f的增大,工件表面残余压应力逐渐减小,并最终转变为逐渐增大的残余拉应力。     

基于ABAQUS的大尺寸弹丸喷丸过程数值模拟

利用ABAQUS软件建立了单弹丸和多弹丸的喷丸有限元模型,研究了大弹丸喷丸2024铝板的动力学过程,分析了弹丸直径和喷丸覆盖率对板材塑性应变和沿弹坑表面及厚度方向残余应力的影响。模拟结果表明,增加弹丸直径可以使板材塑性应变层及残余压应力层深度增大,弹坑尺寸及弹坑"凸边"附近的残余拉应力也随之增大;塑性应变层和压应力层深度随喷丸覆盖率的提高而增大,但覆盖率达到一定程度时增加不再明显。     

飞机腐蚀损伤构件喷丸强化后的表面残余应力场

目的：研究喷丸方式、飞机构件腐蚀损伤表面形状参数对受喷表面残余应力场的影响。方法以7075铝合金腐蚀损伤飞机构件为研究对象,采用玻璃弹丸作为喷丸介质,通过 Abaqus 软件建立随机多弹丸有限元模型,获得固定方向喷丸和固定角度喷丸两种喷丸方式下以及不同损伤表面几何形状参数下的表面残余应力场,并通过试验进行验证。结果采用固定角度喷丸能够获得比较均匀的表面残余应力场,而固定方向喷丸时,损伤构件表面不同部位的残余应力存在明显差异。结论在其他参数不变的情况下,弹丸入射角越小,残余压应力越大。应尽量采用垂直撞击方式进行喷丸处理,喷丸处理前清理腐蚀产物时,应形成较为平缓的损伤面过渡区域。     

300M钢表面喷丸强化工艺应用研究

目的 对比和研究300 M钢的铸钢丸和陶瓷丸喷丸强化后的效果,选择合适的300 M钢喷丸强化工艺.方法 采用铸钢弹丸和陶瓷弹丸以不同喷丸强度对300 M钢表面进行喷丸强化,研究对300M钢表面粗糙度、表面残余压应力及疲劳寿命的影响.结果 随着喷丸强度的增大,300 M钢表面粗糙度增大,但在相同或相当的喷丸强度下,采用陶瓷弹丸喷丸强化可获得更小的表面粗糙度;试样表面残余压应力均为先增大后减小,分别在喷丸强度为0.25A和0.2A时达到最大值.在大应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300M钢中值疲劳寿命增益均不明显;在小应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300 M钢中值疲劳寿命增益差异显著,铸钢弹丸喷丸强化最大值达到22,陶瓷弹丸喷丸强化最大值达到38.结论 铸钢丸和陶瓷丸喷丸均可以提高300 M钢的疲劳寿命.相对于铸钢丸喷丸,300M钢的陶瓷丸喷丸后的粗糙度水平更低,疲劳寿命更长.     

机械喷丸对7A52铝合金焊接接头残余应力改善的有限元模拟

分别建立了7A52铝合金双丝MIG焊热力耦合计算模型及GCr15钢弹丸撞击7A52铝合金试板的三维简化模型.在不影响计算结果的前提下,适当增大了焊接试板弹丸撞击区域网格尺寸.获得了焊接接头的残余应力场计算结果,并分析了弹丸大小、弹丸速度对喷丸残余应力场的影响规律,进而优化了喷丸参数.在此基础上利用隐式求解器与显式求解器之间的数据传递方法,将铝合金试板焊后残余应力场与喷丸处理过程进行耦合计算.结果表明,焊后试板喷丸处理对焊缝及近缝区表面残余应力、试板厚度方向残余应力分布状态均有较明显改善.     

喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场的数值模拟

目的 建立随机喷丸模型,模拟喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场.方法 首先,建立Q235B焊接接头模型,通过间接耦合法计算焊接残余应力.然后,将残余应力作为初始条件导入焊接接头喷丸模型,研究弹丸直径d、弹丸速度v、弹丸入射角θ和弹丸质量流量rm对焊接接头残余应力场的影响规律.最后,分析喷丸后焊接接头残余应力场的改善情况.结果 焊后焊缝横向残余应力 σx和纵向残余应力 σz分别可达227、196 MPa,调整喷丸参数可以消除残余拉应力并引入残余压应力.本仿真范围内,d=1 mm、θ=60°、v=60 m/s、rm=9 kg/min为最优喷丸参数,此时对于σx和σz,表面残余压应力分别可达–246、–275 MPa,最大残余压应力分别为–306、–310 MPa,最大残余压应力深度分别为0.24、0.27 mm,残余压应力层深度分别为0.78、0.66 mm.结论 无论是σx,还是σz,增大d和θ,最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增大;增大v,最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增加.因此,喷丸强化能够明显改善Q235B焊接接头残余应力场.     

喷丸方法对不规则构件表面残余应力分布规律的影响

目的 优化喷丸强化工艺,提升喷丸工艺的强化效果。方法 采用预定义场和基于移动矢量的快速建模方法,实现满足表面全覆盖和不同喷丸方法的有限元模拟。通过对模拟结果中的应力值进行局部坐标转换,分析不同喷丸方法条件下残余应力沿受喷构件表面切线方向的分布规律。结果 在喷射方向固定的喷丸方法中（方法-1）,弹丸撞击角度在不同区域内的变化范围为60°~90°,且随弹丸撞击角度的增加,弹丸撞击时的动能消耗率和应变能转变率分别由71.6%和5.3%提高到89.0%和7.5%,表面覆盖率也随之增加。在喷射角度固定的喷丸方法中（方法-2）,弹丸撞击角度始终为90°,表面覆盖率分布均匀,从而使得在凸圆弧面、斜面和凹圆弧面内采用方法-2获得的表面残余应力比方法-1的大,且两者差值沿+x方向呈现先增加、后保持稳定、再减少的变化规律。结论 与喷射方向固定的喷丸方法相比,采用喷射角度固定的喷丸方法,因弹丸撞击角度大,弹丸撞击动能消耗率及应变能转变率高,且表面全覆盖能得以保证,构件在凸圆弧面、斜面和凹圆弧面内能获得较大的表面残余压应力值。     

基于随机弹丸的7075铝合金喷丸的残余应力场(英文)

采用随机弹丸模型,研究了不同弹丸数目及位置、分析步时间、覆盖率及靶材表面粗糙度对7075-T651高强度铝合金经喷丸强化后产生的残余应力场的影响。结果表明:不同弹丸数目及位置对残余应力场有显著影响;对于45个随机弹丸模型,当分析步时间为0.075ms时,残余应力场达到稳定状态,对于15、25、65及85个随机弹丸模型,稳定分析步时间分别为0.065、0.0683、0.0817和0.0883ms;当弹丸数目从15增加到65时,σsrs和σmcrs随弹丸数目的增多而增加,当弹丸数目继续增加到85时,σsrs和σmcrs出现减少现象,Zm随着弹丸数目的增加并未表现出明显的变化,Z0随着弹丸数目的增多而不断增加;σsrs随着靶材表面粗糙度的变化未表现出明显的变化规律,σmcrs、Zm和Z0随着表面粗糙度的增大而不断减小。     

20CrMnTi磨削表面质量试验研究

为了探讨磨削工艺参数对20CrMnTi磨削表面质量的影响,采用CBN砂轮开展单因素磨削试验,选取表面洛氏硬度H、表面残余应力σ_s和亚表面残余应力分布σ_ss作为指标,通过试验分析20CrMnTi的磨削加工特性。试验结果表明:相同条件下,H随着砂轮线速度v_s和磨削深度a_p的增大而减小,随着工件进给速度v_w的增大而增大,且a_p的影响最大、v_w的次之、v_s的最小;磨削后工件表面表现为残余压应力,压应力σ_s的大小(绝对值)随着v_w增大而增大,随着a_p增大而减小,随v_s增大呈现波动;磨削后工件的σ_ss随着a_p增大逐渐由压应力转变为拉应力,最后趋于0;在小v_s和较小a_p时,在相同亚表面深度情况下可以获得更大的压应力或者更小的拉应力。在本试验所讨论的参数范围内,v_s=60 m/s,v_w=1.045 m/s,a_p=3 μm时可以获得较高H和残余压应力以及较好的σ_ss,即20CrMnTi磨削加工质量较好。      

喷丸对7075-T651铝合金表面粗糙度影响的仿真与实验研究

为探究不同喷丸工艺参数对7075-T651铝合金表面粗糙度(Ra)的影响,首先利用ANSYS/LS-DYNA建立了三维动态喷丸有限元模型,然后根据Ra离散化计算式采集模型节点位移数据,获得了不同覆盖率、喷射距离、弹丸直径和喷射压力下的表面粗糙度值,再结合表面粗糙度、硬度和应力测试结果,分析不同工艺参数对7075-T651铝合金表面粗糙度和表面硬度的影响.结果 表明:合金表面粗糙度的模拟计算值和实验值的最大偏差为11.3％,差值仅为0.59 μm,且合金硬度和表面粗糙度的变化趋势具有一致性,论证了模型计算结果的准确性与可靠性.结合应力云图和表面粗糙度结果发现,在同等表面粗糙度下,采用"大丸粒+小压力"喷丸试样表面应力分布更均匀,且其最大残余压应力值较小丸粒+大压力试样降低约12.8％.分析认为,随喷射压力和弹丸直径的增大,合金表面塑性变形剧烈,冷作硬化效果明显,其粗糙度有增大的趋势,表面硬度也相应提高,而加大喷射距离和提高覆盖率,会增加表面弹坑反复变形的次数,使表面粗糙度值逐渐减小.同时,结合喷丸实验效果,大丸粒小压力喷丸工艺可在残余压应力和表面粗糙度参数之间取得良好的效果.     

喷丸强度对TC17及GH4169合金表面完整性和高温疲劳性能的影响

对钛合金TC17以及镍基高温合金GH4169光滑旋转弯曲疲劳试样进行喷丸强化,研究了不同喷丸强度下合金的表面粗糙度、表面残余应力和高温疲劳寿命。结果表明,喷丸后两种合金的表面粗糙度随着喷丸强度的增大而上升,当喷丸强度达到0.15 mm A以上时,表面粗糙度显著变大。喷丸后表面残余应力均为压应力,TC17合金的残余压应力的数值随着喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,而GH4169合金表面残余压应力数值随喷丸强度的增大而减小。在疲劳性能方面,TC17合金喷丸后的疲劳寿命随喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,特别是在高强度条件(大于0.10 mm A)下,喷丸反而降低了疲劳寿命,而GH4169合金的疲劳寿命随喷丸强度的增大而增大,说明不同合金对喷丸强度的优化工艺范围具有差别,钛合金对喷丸强度变化敏感性强。     

相同喷丸强度条件下喷丸强化效果的数值模拟研究

目的优化喷丸工艺参数的匹配方式,进一步提升喷丸强化效果。方法采用预定义场和基于移动矢量的快速建模方法,实现了受喷构件表面100%表面覆盖率的喷丸模拟,并借助三维喷丸有限元模型研究了不同喷丸工艺参数匹配方式对受喷构件表面粗糙度、弹丸撞击时的能量转变方式的影响。结果当喷丸强度均为0.35 mmN时,四种喷丸工艺参数匹配方式对应的表面粗糙度分别为3.156、2.760、2.249、2.081μm,应力集中系数分别为1.205、1.142、1.103、1.071,动能消耗率分别为89.94%、85.53%、82.86%、80.04%,应变能转化率分别为7.99%、9.67%、11.82%、14.29%。结论与其他喷丸工艺参数匹配方式相比,所用喷丸工艺参数中弹丸直径愈大、喷射速度愈低,对应受喷构件表面粗糙度和应力集中系数愈小,有利于降低喷丸强化效果的削弱程度。在弹丸撞击初始动能大致相当的情况下,尽管"大弹丸直径+低喷射速度"参数条件下对应的动能消耗率较低,但应变能转化率较高,撞击过程中摩擦耗散能较少,有利于大塑性应变和残余压应力的产生,可获得较好的喷丸强化效果。     

喷丸处理的锆合金残余应力场分布规律

目的通过不同的喷丸处理工艺,探索适用于锆合金包壳管的喷丸处理参数。方法对锆合金包壳管采取9种不同的喷丸处理工艺且编号(1—9号),采用XRD残余应力检测技术,对处理后的包壳管试样分别进行轴向和切向的残余应力场测定。结果未喷丸处理的试样表面轴向、切向残余应力分别为-277 MPa和-250 MPa,最大应力在最外表层。喷丸处理试样表面轴向残余压应力比未喷丸处理的大,只有9号工艺对应的表面轴向残余应力比未喷丸的小,这很有可能是因为喷丸强度过大,在表面形成了微裂纹,残余应力得以释放,所以锆合金包壳管的喷丸强度不宜超过0.40 mm A。对于强度较高的5—9号喷丸工艺,喷丸强度达到0.15 mm A以上,包壳管压应力影响层的厚度均超过460μm,几乎达到了喷丸处理后包壳管的整个壁厚。在相同喷丸强度和相同弹丸直径条件下,玻璃丸的表面压应力和最大压应力与不锈钢丸的相近,不锈钢丸处理的压应力影响层比玻璃丸处理的压应力影响层厚约80μm。结论在相同喷丸强度和相同弹丸材料下,改变弹丸直径对锆合金两个方向上的表面残余应力和最大残余应力的大小影响不大;直径较小的弹丸对应轴向最大残余应力的位置更深,直径较大的弹丸对应切向最大残余应力的位置更深。随着锆合金喷丸强度的增加(没有出现过喷),表面两个方向上的残余应力都增加,两个方向上的最大残余应力也有所增加。