钨选区激光熔化应力场的数值模拟

建立了将随温度变化的材料参数特性和相变潜热考虑在内,用“生死单元”技术模拟铺粉过程的钨选区激光熔化热力耦合有限元模型,模拟了选区激光熔化过程中成形件的温度场和应力场,探究了不同基板预热温度和不同支撑结构对成形件残余应力的影响。模拟结果表明,金属钨在选区激光熔化过程中经历多次加热、冷却过程,温度分布不均匀。基板预热和施加支撑结构均能减小成形件的残余应力,当基板预热温度为1273.15K时,成形件中间节点残余应力减小118.99MPa,减小幅度为9.96%;当采用四层网格支撑结构时,成形件中间节点残余应力减小413.33MPa,减小幅度为34.61%。     

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。     

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.     

激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究

激光冲击强化是一种新型表面改性技术,能够在金属部件表面引入残余压应力提高其疲劳、耐磨和腐蚀性能。研究了不同能量脉冲激光(3,5和7 J)冲击强化对TC17钛合金材料表面形貌和最大塑性变形的影响并通过有限元数值模拟激光冲击强化过程。运用白光干涉仪表征试样表面三维形貌和表面塑性应变,采用有限元数值模拟验证表面塑性应变并研究表面和深度方向残余应力场分布规律。结果表明:实验法和有限元法测定试样表面塑性应变深度具有较高的一致性,3、5和7 J冲击下的最大残余应力分别为136.7、407.6和637.3 MPa,塑性影响层深度从约400μm增加到约1050μm。因此,增加激光冲击能量有益于提高残余应力场的大小和深度。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

表面曲率对激光冲击曲面材料表面残余应力场分布的影响

目的针对曲面材料在激光冲击作用下,表面曲率对激光冲击波传播存在影响,使其残余应力场分布情况不同于平面,分析其形成机理。方法将研究对象设置为凸模型,借助有限元软件ABAQUS,模拟了1500MPa冲击压力下,激光冲击波分别加载1/5、1/10、1/15曲率的7050铝合金试样。设置相应的平面试样作为对照组,并采用相同参数条件进行实验验证。结果当曲率为1/5时,冲击后的材料表面残余应力场分布不均匀,在母线方向的光斑边缘处,残余压应力仅为-237.0 MPa,塑性应变层深为0.5878μm;在圆周方向的光斑边缘处残余压应力为-258.5 MPa,较母线方向增加9.07%,塑性应变层深达到1.235μm,较母线方向增加110.11%。这一现象随着曲率的减小而逐渐消失,当曲率小于1/15时,表面残余应力场分布近似平面。结论激光冲击凸模型时,表面残余压应力场分布存在偏向现象,即试样沿母线方向的残余压应力值小于圆周方向,其对应的塑性应变深度也呈相同的规律。     

激光相变硬化蠕墨铸铁气门座应力场数值模拟研究

采用有限元软件ANSYS建立了气门座激光相变硬化的应力场数值模拟三维有限元模型,分析了激光扫描速度对气门座瞬态应力场与残余应力场的影响。结果表明:气门座激光扫描区域的周向应力大于径向应力,更易产生径向裂纹;随着激光扫描速度的增加,气门座周向与径向的瞬态压应力与残余拉应力均减小。在气门座激光相变硬化过程中,提高激光扫描速度可以更好地控制径向裂纹的形成。     

2024-T351铝合金方形光斑激光喷丸残余应力场数值模拟

为了分析激光喷丸作用后,以2024-T351铝合金为代表的高强航空铝合金材料表面和内部残余应力的分布情况,并为后续板料激光喷丸变形分析打下基础,在ABAQUS软件平台上,构建了一种方形光斑激光冲击的有限元计算模型,对方形光斑激光冲击诱导的残余应力场进行了数值模拟,分析了在无搭接和搭接率为25%的两种情况下,激光冲击产生的残余应力场在空间上的分布特征,发现冲击坑中心处残余压应力值较大且均匀性较好,边缘处出现了较大的拉应力且应力梯度较大。通过进行无搭接的激光喷丸实验和X射线衍射应力测试实验,验证了有限元模型的有效性。试件表面形貌通过激光位移传感器进行了测量观察。     

不同入射角弹丸强化残余应力场的数值模拟

目的通过建立有限元模型模拟研究弹丸入射角度对残余应力场和强化效果的影响。方法采用ABAQUS软件建立了单粒弹丸强化靶体的三维对称模型,对单个弹丸喷丸强化进行了数值模拟,模拟了50、75、100 m/s三种不同速度下,弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场,以及30°、60°和90°三种不同入射角度下靶体上产生的残余应力场。结果不同速度下弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场的模拟结果显示,随着弹丸速度的增加,靶材次表层的最大残余压应力以及压应力层深度增加。不同入射角度下靶体上产生的残余应力场深度和大小变化不相同,入射角为90°(垂直入射)时,所产生的残余压应力最大,入射角为60°时次之,入射角为30°时最小。结论模拟结果与实验结果的残余压应力最大值和曲线的变化趋势基本一致,吻合程度较高,说明所建的有限元模型可靠。在相同速度下,随着入射角度不断变大,所产生的最大残余压应力也不断增加,在垂直入射时达到最大值。     

基于ABAQUS的镁/钢异种金属激光焊接的数值模拟

利用ABAQUS有限元软件对镁/钢异种金属激光焊进行数值模拟,研究焊接过程中温度场及应力场的分布规律,对比分析模拟结果与试验结果并进行验证,从热传递角度分析添加镍箔中间层对镁钢搭接激光焊的影响,对其进行温度场和应力场模拟.结果表明:模拟结果与镁钢激光焊的试验结果较为吻合,镍中间层减缓了钢侧向镁侧的热传递,使镁侧温度梯度减小;应力场模拟结果表明钢侧与焊缝中心线上的残余应力以拉应力为主,垂直于焊缝方向,钢侧与镁侧焊缝及热影响区域的残余应力以拉应力为主;在远离焊缝区域逐渐从拉应力转变为压应力,镁侧的应力转变趋势比钢侧较为缓和;在添加镍箔后,镁侧焊缝整体残余应力集中情况明显改善,应力过渡趋势减缓.     

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。     

About the role of residual stresses and surface work hardening on fatigue ΔKth of a nitrided and shot peened low-alloy steel

Nitriding and shot peening are surface treatments widely used to improve the fatigue strength of mechanical and structural components. Both treatments enhance the mechanical properties of the surface layer of material: nitriding mainly by means of chemical transformations and formation of a very hard case, shot peening mainly due to compressive residual stress field in the sub-surface layer of material.The combined application of nitriding and shot peening has not been adequately investigated in literature and the known data do not allow to define a general criterion to assess if and when shot peening application after nitriding can be useful. In this paper the effect of nitriding plus shot peening on fatigue strength of a low-alloy steel is investigated by means of experimental tests carried out on specimens containing a micro-hole, acting as a pre-crack. To analyse the role played by shot peening induced residual stresses, a series of specimens was heat-treated after shot peening, being the aim the partial removal of residual stresses without strongly modifying the mechanical properties of the surface layer of material. After a critical discussion of the results in terms of residual stress, micro-hardness trend and fatigue strength, an original fracture mechanics based approach is proposed to predict the threshold value of the stress intensity factor of nitrided and shot peened steels. The results are in good agreement with the experimental evidence.     

高温喷丸强化Ti6Al4V合金的热力耦合数值模拟

发展一种连接喷丸强化与高温加载传热的热力耦合有限元方法,模拟高温喷丸强化Ti6Al4V合金的过程。首先建立一圆盘模型模拟待喷材料的高温加载传热过程。然后将圆盘模型的受热部分取出一小块建立对称胞元喷丸模型,并且将高温加载所致的温度场和热应力场通过解析场的方式导入到对称胞元喷丸模型,模拟高温喷丸强化过程。最后通过回弹计算获得稳定的残余应力场和温度场。创建4种模拟工况：常温喷丸、单独导入温度场的喷丸、单独导入热应力场的喷丸和高温喷丸,探究高温喷丸的残余压应力强化机理。结果表明：在常温环境下,对称胞元喷丸模型模拟的Ti6Al4V表层残余应力与试验结果具有很好的一致性。在高温加载作用下,随着热流密度的增加,受喷材料表层残余压应力有所减小,材料亚表层的残余压应力逐渐增大。影响高温喷丸强化的残余压应力的主要因素是高温加载所致的温度场,热应力场对残余压应力强化起次要作用。     

Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening: a numerical approach

Shot peening is a surface impact treatment widely used to improve the performance of metal parts and welded details subjected to fatigue loading, contact fatigue, stress corrosion and other damage mechanisms. The better performance of the peened parts is mainly due to the residual stresses resulting from the plastic deformation of the surface layers of the material caused by the impact of the shot. Shot peening intensity is usually quantified by means of the Almen-scale, which measures the residual arc height of a strip made of a specific material, and of a pre-defined size. The scale does not, in other words, apply solely to the residual stress field of a component of unspecified material and size. In this paper, a finite element to predict the residual stresses induced by shot peening in a metal part and to relate these stresses to Almen intensity is proposed; the aim is to provide the designer with a useful tool with which to choose the optimal treatment parameters with respect to the mechanical behaviour of the peened parts. Experimental measurements of residual stresses and a comparison with existing experimental data validate this approach.     

GH742高温合金激光冲击强化和喷丸强化残余应力

对GH742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,对比分析2种残余应力的差异和特征,并采用不同的退火温度进行退火,研究表面残余应力在高温下的稳定性。结果表明,2种表面强化方法都可以在GH742高温合金表层引入残余压应力,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稳定性,且残余压应力最大值在表面;与激光冲击强化的试样相比,喷丸强化试样的残余压应力较浅,而且随着喷丸强度的增加,最大残余压应力也由表面移向了次表面。     

喷丸强化AZ91 D镁合金残余应力场的数值模拟及实验研究

目的研究喷丸工艺对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响。方法基于有限元平台建立喷丸强化AZ91D镁合金的有限元模型,从残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度等方面探讨弹丸速度、弹丸直径和弹丸入射角对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响,并通过喷丸强化AZ91D镁合金的实验与有限元模拟结果进行对比。结果增大弹丸速度对残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值提高效果明显,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增加弹丸直径,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度均有明显提高;增大入射角,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值有明显提高,但是残余压应力峰值的深度基本不变。有限元模拟结果中,残余压应力层的厚度比实验值小7%,残余压应力的峰值比实验值大5%,残余压应力峰值的深度比实验值小11%。结论残余应力的实验结果与有限元模拟结果具有较好的一致性,模型合理。     

1Cr12Ni3Mo2VN钢高频淬火过渡区的喷丸强化和残余应力

采用不同的喷丸工艺,分析了喷丸强度对1Cr12Ni3Mo2VN钢局部高频淬火试样的表面质量与残余应力沿层深变化的影响.研究表明,喷丸一方面在试样表层形成了有益的残余压应力场,另一方面增大了试样表面的粗糙度,喷丸应综合考虑两者的影响;对于试验所用的材料和热处理状态,喷丸强度为0.5A的喷丸工艺优于喷丸强度为0.4A和0.6A的喷丸工艺.     

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。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。