喷丸强化对轿车用新型齿轮钢表面应力状态影响的研究

应用单变量及正交试验,并配经X射线应力仪等系统地研究的喷丸工艺参数（丸粒速度、密度及喷丸时间）对工件表面残余应力及其分布的影响规律,试验结果表明：随着三种喷丸工艺参数值的提高,工件表面残余应力增大,尤其是在工件次表层峰值应力增大更明显,且内移,但当丸粒速度接近设备所产生的最大值时,则工件表层应力值几乎不再增加,并讨论了有关机理。     

基于ANSYS/LS-DYNA的受控喷丸工艺过程仿真

将喷丸过程简化为丸粒撞击工件的模型,丸粒看作刚性体,运用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值模拟,分析了覆盖率对残余压应力分布的影响,得出在不完整喷丸覆盖率下工件表面会产生残余拉应力.在单个丸粒模型中,将丸粒的材料改为塑性硬化材料,分析丸粒的速度对残余压应力分布的影响,得出丸粒的材料参数一定时,存在最优喷丸速度,丸速过高会导致丸粒的变形能增加,而使工件表层的最大压应力值和应力层深度下降.     

基于5G通信与高速拍照技术的喷丸强化仿真试验验证

基于Eulerian-Eulerian气固两相流模型,采用Fluent-EDEM耦合计算的方式,对喷丸过程中弹丸瞬时速度和速度分布进行仿真分析;通过高速相机对弹丸空间位置进行记录,采用5G通信技术将喷丸设备的实时数据和高速相机的图像传输到云平台,利用图像处理技术获得弹丸速度,从而实现喷丸强化仿真的试验验证。结果表明：不同工艺参数下弹丸速度的仿真结果与实测值之间的相对误差最大不超过12.1%,模型的仿真预测精度较高;弹丸喷出后的速度随距喷口距离增大而先升后降,弹丸速度的空间分布呈抛物线趋势;开发的喷丸强度分析软件预测精度可达95%。     

超声喷丸强化产生残余应力的有限元分析

将超声喷丸过程简化为单个丸粒撞击试件的模型,应用ANASYS/LS-DYNA软件对过程进行有限元仿真.分析了残余应力产生过程,并改变丸粒的直径和材料,对比不同丸粒直径及材料下的残余应力分布,得出的结论是:丸粒直径增大可以使残余应力层深度和最大残余压应力值增加,丸粒密度增大也可以实现最大残余压应力值增加.     

摩擦因数与弹丸形变对超声喷丸纯铜的影响研究

在已有的超声喷丸有限元模型中，绝大多数都忽略了弹丸的弹性、塑性变形对数值模拟结果的影响。同时，关于弹丸表面与受喷材料表面之间的摩擦因数对超声喷丸数值预测结果的影响规律，目前也鲜有报道。为此，以纯铜试样为研究对象，结合超声喷丸实验和数值模拟过程，研究了摩擦因数与弹丸形变对超声喷丸纯铜的影响规律。首先，基于ABAQUS平台建立了单丸粒超声喷丸三维有限元模型；然后，设计了单丸粒超声喷丸实验，依据实验条件分析了喷丸距离对速度的影响，将实验工况输入仿真模型，并分别从弹丸速度、凹坑形貌两方面比较了实验与仿真结果；最后，分别采用刚性丸、弹性丸、弹塑性丸，在摩擦因数为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的工况下，对纯铜试样进行了超声喷丸数值模拟，对受喷表面的形貌、残余应力进行了分析。研究结果表明：当弹丸与纯铜表面之间的摩擦因数大于0.2时，摩擦因数对超声喷丸纯铜形成的凹坑形貌和残余应力的影响不再显著；超声喷丸纯铜形成的凹坑尺寸、残余压应力深度、最大压应力和表面残余拉应力随弹丸与纯铜之间接触刚度的增大而增大。该研究结果对超声喷丸的数值建模具有重要的指导意义。     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

喷丸过程中颗粒在靶材上的分布特性

气动喷丸作为构件表面处理的重要方式被应用广泛。为了研究喷丸过程中颗粒在靶材上的分布情况,通过数值计算的方法模拟喷丸过程,采用Fluent软件进行气固耦合仿真计算;获得颗粒流在靶材上任意时刻定点喷打的分布特性,并分析了喷嘴类型、入口压力、靶材距离等关键参数的影响;得到不同喷嘴对靶材上颗粒的分布情况,文丘里型喷嘴的分布特性明显优于收缩型及流线型喷嘴;入口压力大于某一压力值时压力对颗粒分布特性的影响较小,而靶材距离存在一个最优值使得颗粒分布特性最优。     

喷丸工艺参数与齿轮表面粗糙度关联规律数值计算研究

喷丸强化除了会对齿轮表面的残余应力场产生影响外,还会改变齿轮表面粗糙度。齿轮齿根处与分度圆处的表面粗糙度会强烈影响其服役性能,因此,研究喷丸过程中齿轮表面粗糙度的演变过程十分必要。为此,建立随机丸粒有限元模型来模拟齿根处与分度圆附近区域的喷丸强化过程,提取冲击区域所有的离散数据用以计算表面粗糙度参数;数值模拟得到的结果与齿轮喷丸后的测试结果基本吻合;并研究了喷丸时间、弹丸大小、冲击速度对齿根处与分度圆附近表面粗糙度参数的影响,从而可以合理地选择喷丸工艺参数,以达到控制齿轮喷丸后表面粗糙度的目的。研究结果表明,在同样的喷丸工艺参数下,分度圆处表面粗糙度R_a值与R_z值明显小于齿根处;随着冲击速度及弹丸直径的增加,齿根处表面粗糙度R_a值、R_z值明显增加且弹丸直径对粗糙度参数的影响大于冲击速度;随着冲击速度及弹丸直径的增加,分度圆表面粗糙度R_a值、R_z值明显增加,R_(mr(-1))值减小,且弹丸直径对粗糙度参数的影响大于冲击速度。     

前混合水射流多弹丸喷丸模型及残余应力场的数值模拟

针对前混合水射流的液固湍动特性与喷丸过程多重非线性耦合作用行为,提供一种射流喷丸强化残余应力场的有限元分析法。采用液固两相流动理论与计算流体动力学方法分析喷嘴内流特性,建立射流多弹丸喷丸模型;基于弹丸速度冲击载荷加载制度,利用多线性各向同性强化弹塑性模型,应用动态接触对称罚函数法,运用ABAQUS软件模拟不同弹丸数量作用下射流喷丸在45钢材料表层产生的残余应力场,获得残余应力场的分布规律及残余应力沿深度的变化规律;得出射流喷嘴内流呈均质流流型,不同弹丸数量射流喷丸在材料表层产生的径向残余应力沿深度的变化规律相同,但在材料表面产生的径向残余压应力值受喷丸模型影响较大,对弹丸分三层排列、相邻弹丸之间径向和周向中心距离均为弹丸半径的多弹丸喷丸模型,数值模拟获得的表面径向残余压应力值与射流喷丸试验数据基本吻合。     

近距离淹没冲击射流动态流场特性

近距离下淹没冲击射流具有重要的应用前景,但有关其动态流场特性的研究尚不充分。利用粒子图像测速技术（Particle image velocimetry,PIV）对冲击距离为H/D=1时的动态流场特性进行测量,研究雷诺数Re和喷嘴端面轮廓（壁面约束）对间隙内旋涡生成的影响,并对试验数据进行涡量分析与本征正交分解方法（Proper orthogonal decomposition,POD）分析。结果表明,雷诺数Re对不同喷嘴端面轮廓（壁面约束）的旋涡生成和迁移影响规律不同。雷诺数对直角型喷嘴的双涡环模式流态影响较小,但对圆角型喷嘴卷吸流态影响较大,且随雷诺数的增大流场出现动态对称涡旋,该对称涡旋逐渐向间隙外迁移且呈现出明显的周期性变化特征。涡量分析得到时均场的涡量大小与分布情况,通过与POD分析中瞬态场的含能大尺度结构分布相结合,揭示间隙外涡旋能量的来源与变化规律。通过前4阶瞬态脉动速度场重构,可以从微观时间尺度进一步说明瞬态速度场的突变性与周期性。研究成果将有助于加深对冲击射流本质的理解。     

基于动网格技术的理想液压缸运动数值计算

液压缸是驱动高速大功率直线运动负载的首选元件,针对该负载的高精度可预知运动控制这一问题.为了了解液压缸在高速运行速度下的运动特性和动力学特性,以理想化的液压缸为对象,利用Fluent软件及动网格技术,对液压缸缸内流动流场和活塞运动过程进行了数值仿真,探讨了压差、供油口大小和工作行程等参数对活塞动态特性的影响.研究结果表明,液压缸活塞运动速度在启动瞬时和终止瞬时均出现了大幅度的波动,在其余运动过程中,运动速度表现为某一均值和规则性高频脉动值相叠加的形态;压差越高,脉动频率越高且脉动幅值越大;油口直径增大,速度脉动频率增高,脉动幅值相应减小;活塞上合力在启动瞬时和终止瞬时出现波动,在稳态运动过程中,合力表现出与速度类似的形态.该研究同时还给出了活塞速度与工作行程大小的关系.     

工件表面质量检测中高速图像采集技术研究

针对工件表面质量在线检测过程中的高速图像采集环节,提出了一种工件图像高速采集方法。分析了图像采集中定位精度、运动模糊、曝光时间和工件运行速度之间的定量关系,研究了传送机构与工件表面的振动对图像采集的影响,设计了图像采集时序。利用光电传感器实现工件的快速触发,使用高精度延时模块实现工件的准确定位,通过减小曝光时间控制运动模糊。基于高速采集方法设计了高速图像采集系统,定位精度小于0.1mm,运动模糊小于1pixel,保证了工件的准确定位和图像的清晰度,有效保证了工件表面质量检测。     

不同温度气体喷射特性的PIV试验研究

研究气体的喷射特性,用于指导发动机燃油供给系统的设计和燃烧室有效组织燃烧。基于粒子图像测速技术(PIV),对不同温度、不同压差下气体喷射的特性进行了对比研究。通过试验分析和图像处理等手段对射流流场及涡结构、气体射流边界扩展、喷嘴轴向流速衰减规律、断面流速分布等进行了总结。试验表明:射流边界呈线性扩展,可用锥角大小来表征其特性,锥角随压差的减小而增大,且增幅明显,温度对其也有一定影响。喷嘴射流的轴向速度与射流距离成反比,而速度的影响面积随射流距离的增大而增大,温度的增大使得相同压差下的轴向速度相应增大,断面流速的分布存在很大的相似性。     

周期和随机分量叠加而成粗糙表面的激光散射

研究了机械加工时由周期分量和随机分量叠加形成的粗糙表面的激光散射特性.基于Helmholtz-Kirchhoff积分定理并结合统计学相关理论,推导得到了上述粗糙表面的散射场强空间分布理论计算公式.根据推导得到的计算公式,计算了不同周期振幅和不同随机粗糙度情况下的散射场强空间分布,并分析了散射场空间分布的特征和形成原因.理论计算结果表明:在随机性粗糙度远小于激光波长时,周期振幅越大,散射场空间分布的“衍射条纹”现象越明显;而在随机性粗糙度和激光波长可比拟时,周期振幅在波长范围内的变化对散射场空间分布特征影响较小,不再有“衍射条纹”出现.在这种情况下,周期振幅的变化所产生的效果相当于是对散射场空间分布进行了调制.     

空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究

空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。     

控制喷丸

控制喷丸不仅是一种强化金属的重要手段,而且是一种经济、节能、用途广阔又急待提倡的工艺方法。如图所示、这种工艺是用普通钢丸或不锈钢丸,玻璃丸或陶瓷丸高速喷射被处理件,通过控制喷丸材质、形状、尺寸与硬度,以及射流强度,角度与均匀性等参数,获得预期的应变强化层深度及其内的残余压应力分布状态。强化层深度决定于工艺要求,对于圆筒状零件,有的规定:单向喷丸时,残余压应力层深度为壁厚的10％;双向喷丸时,为壁厚的5％。有的报道.残余压应力层的深度范围为0.25～2.5mm。     

多种后混合磨料水射流喷嘴的数值模拟及分析比较

针对传统的后混合磨料水射流喷嘴中的磨料与水混合均匀性差,磨料射流能量低的问题。本文基于CFD欧拉多相流模型,利用Fluent软件对比磨料侧进式喷嘴、磨料中进式喷嘴以及改进的磨料中进式喷嘴在相同边界条件下计算得到的内外流场结果。分析结果表明：磨料侧进式喷嘴的磨料主要分布在速度较低的区域,未能进入高速水流内部,导致喷嘴内外流场的中心位置磨料射流能量低,磨料与水混合均匀性差;磨料中进式喷嘴很好的解决了磨料不能进入高速水流内部的问题,磨料体积分数和磨料速度从中心向外逐渐减小,射流效果明显改善;改进的磨料中进式喷嘴减小了高速水流在原磨料中进式喷嘴混合腔内的碰撞损耗,磨料在外流场的速度及动能都有一定提高。     

高速滚动轴承环间气流特性数值模拟

以角接触球轴承为研究对象,采用FLUENT流体计算软件对高速滚动轴承环间气相介质的状态进行数值模拟,获得了环间气流速度场和压力场的分布特性,揭示了轴承转速对环间气相介质流动状态的影响规律。结果表明:内圈小端面气流的切向速度符合腔型/旋转结构中气相介质的运动规律;由于小端面湍流强度较小,且靠近外圈有涡存在,因此靠近内圈喷油更利于润滑油的进入,从而可确定最佳喷油位置位于该端面无量纲径向坐标0.25处;随着转速增大,轴承环间气流周向压力值两极化变得越明显,压力分布无明显迁移,轴承环间存在利于润滑油贴滚道运动的气流径向作用力。该研究结果为开展高速滚动轴承喷油润滑油液的穿透机理提供了更真实的边界条件和初值。     

基于CFD的喷嘴结构对高压水射流反推特性的影响

喷嘴作为无人机新型射流反推弹射的重要元件,其结构参数对无人机弹射动态特性具有重要影响。以圆柱形、圆锥形和余弦形结构的喷嘴为研究对象,基于CFD建立不同结构喷嘴射流流动的数学模型,采用VOF多相流模型和k-ε湍流模型等对不同结构喷嘴射流流态进行数值模拟,获得不同结构喷嘴内外壁面的压力场、速度场分布,对比分析喷嘴结构特征和几何参数对高压水射流反推特性的影响规律。结果表明:相比圆柱形喷嘴,圆锥和余弦形喷嘴射流反推特性更好;当喷嘴入口压力由15 MPa增至30 MPa时,射流速度增幅有下降趋势,当入口压力为25 MPa时,余弦形喷嘴相比圆锥形喷嘴的射流反推力要高18.1%;喷嘴出口内径增大对射流速度影响不大,但会显著增加射流反推力,与圆锥形喷嘴相比,同直径的余弦形喷嘴的射流反推力要高约7.9%。     

基于Fluent的超音速喷嘴的数值模拟及结构优化

对超音速laval喷嘴进行了热力学计算及几何参数计算,确定了喷嘴的几何尺寸。利用Fluent软件对喷嘴内流场进行数值模拟,得到了喷嘴内流场的分布规律。改变喷嘴的结构,分析了收缩段和扩张段的不同结构对喷嘴出口速度的影响。结果表明,喷嘴内气流的温度和压力逐渐减小,速度逐渐增大,说明了气流经历的是减压增速降温的膨胀过程,并验证了喷嘴设计的合理性。收缩段的结构对喷嘴出口速度基本没有影响,而出口直径对出口速度有较大影响,并以此为依据得出了结构优化后的喷嘴尺寸,对于今后超音速喷嘴的理论研究及优化设计具有一定的参考作用。