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。     

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。     

激光喷丸诱导的残余应力的有限元分析

激光喷丸成形是一项新技术,是利用强激光辐照材料表面产生的高压冲击波对材料内部诱导的残余应力来成形金属板料的,控制残余应力场的分布是精确成形板料的关键。有限元模拟技术是预测激光诱导的残余应力场的有效方法之一。该文建立激光诱导残余应力模拟的模型,讨论了模拟过程中关键问题的技术处理,如加载历史、本构关系、网格划分、求解时间等。数值模拟的过程主要包括动态分析和静态分析两个步骤,模拟结果表明,残余压应力的大小和残余压应力层的深度随激光的功率密度的增加而增加,最后趋于饱和。模拟结果和试验结果较为一致。     

基于静力等效的喷丸工艺数值模拟

根据喷丸过程的特点,用静力等效的方法对喷丸强化工艺进行数值模拟,避免了动态显式算法中计算结果的不稳定。分析弹丸与工件之间的平均接触应力的变化规律,对喷丸过程中的不同阶段进行划分,推导了等效载荷的表达式。考虑到弹坑分布对于残余应力的影响,开发了弹坑阵列模型,结果表明,弹坑阵列模型预测的残余应力分布与实际情况相符。     

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。     

基于多丸粒模型的喷丸表面强化过程数值模拟

针对喷丸表面强化过程,利用有限元法,建立了均匀分布的多丸粒喷丸强化数值模型,研究了喷丸速度、连续冲击及二次冲击弹丸速度对于目标靶体内残余应力场的影响;利用多丸粒偏置建模法,建立不同覆盖率的多丸粒仿真模型,研究喷丸覆盖率、连续冲击对于残余应力场的影响,对比了两种多丸粒喷丸模型。结果表明,提高喷丸速度可增加残余压应力层深度,但对残余应力最大幅值没有显著影响;连续冲击引起残余应力的饱和,残余应力分布没有明显变化;后续冲击弹丸的速度对于残余应力场有明显的影响;偏置高覆盖率喷丸强化模型可获得较均匀分布的残余应力场,压应力最大幅值与喷丸覆盖率及作用区域有关。     

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...     

表面形貌对TC4钛合金喷丸强化效果的影响

利用DEM-FEM耦合模拟方法建立不同曲率半径的凹、 凸面喷丸强化有限元模型,结合位错密度演化模型,探究材料表面形貌对TC4钛合金喷丸强化效果的影响规律.结果表明:受喷表面的凹凸性及其曲率半径对喷丸强化TC4钛合金的残余应力、 晶粒细化和表面粗糙度具有显著影响.在相同的曲率半径下,相对于靶面为平面的工况,凸面工况对应的...     

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。     

喷丸条件对残余应力场的影响规律

采用试验方法研究了喷丸条件对残余挤压应力场的影响规律.试验对不同弹丸尺寸、不同覆盖率所形成的残余应力场采用X射线方法进行测量,结果表明,喷丸条件对残余应力场的深度和水平的影响存在如下规律:弹丸尺寸对残余应力场的深度影响明显,在相同的喷丸气压和喷丸强度下,大弹丸形成的残余应力场较深;弹丸覆盖率对残余应力水平影响明显,相同喷丸气压下,增加喷丸覆盖率则能提高残余应力水平;试件厚度对应力分布无明显影响.     

激光冲击强化与喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。 结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化试样比喷丸强化试样具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化试样和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

喷丸数值模拟中一种高效方法

目的 从减小分析步时间的角度出发,调整弹丸随机分布间距,研究提高模拟计算效率的方法。方法 以SAE1070弹簧钢为研究对象,在S230弹丸速度为40 m/s条件下,分析弹丸间垂直间距、水平间距和弹丸冲击方式对模拟结果的影响。结果 在不考虑弹丸间相互作用的前提下,有限元模拟中弹丸间可存在重叠,只要弹丸垂直间距大于0.07 mm,水平间距大于0.4 mm,弹丸随机生成模拟得到的诱导应力分布、塑性应变分布、粗糙度的结果在小偏差范围内收敛,与弹丸间无重叠的模拟结果相近。在满足弹丸间距阈值的前提下,采用同时冲击和顺序冲击方式得到的诱导应力分布在压应力部分区域存在一定偏差,但应力分布曲线整体较为接近,同时冲击的计算时间缩短了约90%。在此基础上,确定合适的弹丸分布,在不同弹丸直径、速度下进行阿尔门试片喷丸模拟,通过对比阿尔门强度值论证了模拟方法的有效性。结论 这种按层分布同时冲击,并在满足间距阈值的前提下尽可能减小间距的弹丸设置方法,保证了模拟精度,提高了计算效率,为数值模拟的应用提供了优化计算成本的新思路。     

TC4钛合金激光冲击强化与喷丸强化的残余应力模拟分析

目的 通过对激光冲击强化和喷丸强化后的试样进行残余应力测试分析,得出两种工艺在残余应力形成机理、残余应力层深以及残余应力均匀性等方面的差异.方法 一方面采用有限元方法 模拟激光冲击强化及喷丸强化的过程,将材料在两种强化冲击下的响应进行对比,研究残余应力的形成过程,并对残余应力场的分布规律进行总结分析.另一方面,分别用两种强化技术处理TC4钛合金的表面,并用剥层X射线衍射实验测试材料表层的残余应力.最后将实验结果 与测试结果 进行对比,验证有限元模拟的有效性.结果 当这两种强化效果产生-500 MPa的表面平均残余应力时,激光冲击强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度可达0.6 mm以上,而喷丸强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度只有0.15 mm左右.结论 由于诱发材料塑性变形的机制不同,激光冲击强化往往能获得比喷丸强化更好的残余压应力深度,同时激光冲击强化的材料的表面残余应力分布也比喷丸强化的材料更均匀.     

工业纯钛喷丸强化研究

采用TEM结合SEM和XRD对工业纯钛喷丸强化后显微组织结构、断口形貌、残余应力进行分析,研究了影响疲劳性能的3个因素即：组织、应力、粗糙度。结果表现：孪生是六方合金的塑性变形主要形式,喷丸强化表层形变组织由孪晶和变形带构成,表层孪晶间强烈交互作用,可造成显微损伤;表层残余应力在疲劳后发生明显松驰,有益贡献也相应的降低;表面粗糙度提高,具有负的影响。     

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...     

前混合水射流喷丸残余应力的数值模拟

金属材料的疲劳破坏已经成为制约金属零件使用寿命的主要因素,用水射流喷丸来改变金属材料表面的残余应力以提高金属零部件的疲劳寿命已成为最有效的方法。本文根据有限元理论,运用动力显式算法建立有限元模型,将喷丸过程简化为弹丸撞击靶体的模型,利用ANSYS／LS—DY—NA软件进行了数值模拟。结果表明：研究靶体的残余应力分布情况能得出最大残余压应力的值及位置,能得出残余应力场的分布和残余应力场深度;研究靶体的应变能够得出靶体表面的变形和表面Y应变的分布。     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

二次喷丸42CrMo钢表面完整性的数值模拟研究

目的探究二次喷丸工艺参数对42CrMo钢零件表面完整性的影响规律。方法建立三维随机喷丸有限元模型,并通过实验验证有限元模型预测残余应力的准确性。将一次喷丸后零件的表面形貌和应力应变结果作为初始状态导入到二次喷丸模型中,构建出二次喷丸预测模型。分析二次喷丸参数对42CrMo钢零件表面残余应力场、表面粗糙度以及等效塑性形变场的影响情况。结果二次喷丸后,42CrMo钢零件近表层(0～100μm)的残余压应力值均比初始状态有所增加。增加二次喷丸覆盖率对表面残余应力的提升作用最为明显,最大可比初始状态提高63.3%,而增加二次喷丸直径对残余应力的改善效果最不明显。过度增加二次喷丸速度会导致表面粗糙度明显增加,提高二次喷丸覆盖率可显著降低表面粗糙度,覆盖率为300%时,粗糙度比初始状态减小了14.4%。表层PEEQ值随着二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率的增加而增加,但当二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率增加到一定程度后,表层PEEQ值会趋于饱和。结论二次喷丸预测模型揭示了二次喷丸参数与42CrMo钢零件表面完整性之间的影响规律,为二次喷丸的工业应用提供了一定的参考意义。