水射流喷丸强化残余应力场的有限元模拟

针对水射流的高湍动特性与受喷靶体材料复杂的弹塑性形变行为,提供一种水射流喷丸强化残余应力场的有限元分析方法.基于准静态压力分布和非线性轴对称面分布载荷,采用多线性各向同性强化的Mises率不相关弹塑性模型,应用Prandtl-Reuss塑性增量理论及增量初应力法,利用线性斜坡载荷加载制度,运用ANSYS有限元软件模拟不同压力作用下水射流喷丸在2A11铝合金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层深和径向的变化规律,指出残余应力沿层深分为残余压应力区和残余拉应力区,沿径向分为第Ⅰ残余压应力区、残余拉应力区和第Ⅱ残余压应力区,得到表面残余压应力、表层最大残余压应力、残余压应力层深度随着喷丸压力的增加而增大.为验证有限元模拟的正确性,对喷丸表面残余压应力进行试验验证,结果表明,有限元法计算的表面残余压应力值与试验数据近似吻合.     

喷丸残余应力场有限元模拟研究进展

喷丸强化处理工艺可以显著提高金属材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能,这与喷丸后在金属表面层形成的残余应力场紧密相关,因此对喷丸残余应力的大小及分布进行预测具有重要意义.对近年国内外喷丸残余应力场的有限元模拟进行评述,总结出6种典型的残余应力分析模型,分别是二维轴对称模型、四对称面模型、三对称面模型、双对称面模型、单对称面模...     

喷丸三维残余应力场的有限元模拟

运用大型有限元计算软件ABAQUS建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型,预测了在相同喷丸强度下玻璃丸和钢丸两种类型弹丸喷射所产生的残余应力场。模拟过程中,分析了线性减缩积分单元的沙漏参数、材料的应变硬化率、喷丸覆盖率以及初始残余拉应力等因素对304不锈钢靶材残余应力分布的影响。从计算结果可以看出,钢丸喷丸产生的残余压应力层较深,但在高覆盖率时,玻璃喷丸产生的残余压应力的平均值比钢丸喷丸处理后产生的大。在有初始残余拉应力(250 Mpa)存在的情况下,两种类型的喷丸处理均能使304不锈钢靶材表面形成残余压应力层,这说明喷丸工艺可以提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力。本研究成果为进一步探讨喷丸强化不锈钢焊接头抗应力腐蚀性能的机理奠定了基础。     

弹丸束喷丸有限元模型数值模拟及试验研究

喷丸工艺是一种有效提高工件表面疲劳抗力的表面处理工艺,被广泛应用在航空、汽车、动力机械等重要领域。喷丸数值模拟是制订喷丸工艺方案、评估喷丸后工件表面疲劳抗力的主要理论工具。目前,现有的喷丸数值模型主要有单弹丸模型、阵列弹丸模型等形式,在这些模型中,弹丸的撞击位置是固定的,忽略了真实的喷丸过程中弹丸位置的随机性。采用有限元计算软件ABAQUS提供的python语言开发一种弹丸在空间位置随机分布的弹丸束喷丸模型,在此模型基础上研究喷丸工艺参数与残余应力间的分布规律,进一步讨论喷丸工艺对工件表面粗糙度的影响,模拟喷丸强度的饱和过程,并通过Q235钢喷丸试验对弹丸束喷丸模型进行验证,为喷丸工艺的精确控制提供了科学依据和理论基础。     

后混合水射流喷丸强化装置设计

以后混合高压水射流技术为基础,结合传统喷丸强化工艺,设计了可实现喷丸全覆盖率的四轴三联动喷头运动式龙门结构的后混合水射流喷丸强化装置,并首次设计了提高受喷零部件定位精度的激光工件定位装置。为后混合水射流喷丸强化技术的深入研究及工业推广奠定了基础。     

前混合磨料水射流喷嘴内液固两相流的数值模拟

首先定性分析出在一定压力下，磨粒在等直径、不同圆柱段长度的喷嘴出口处存在一个最大速度；然后运用大型CFD商业软件Fluent6．1．18对在一定压力下，其他结构一定而不同圆柱段长度的不锈钢喷嘴内液固两相流进行数值模拟，得到出口处磨粒速度最大的最佳长度的喷嘴，并对该喷嘴内液固两相流速度分布规律进行了分析，为前混合磨料水射流切割机制研究提出了有意义的途径。     

前混合水射流强化技术及发展

介绍了前混合水射流强化技术的基本原理、磨料供给系统及优点,并对前混合水射流强化技术的未来发展进行了展望.     

前混合水射流喷丸强化表面力学特性及疲劳寿命试验

为获得前混合水射流喷丸强化增益效果,研究前混合水射流喷丸对2A 11铝合金和45钢的表面显微硬度、表面残余压应力和疲劳寿命的影响.采用显微硬度计和X射线应力分析仪分别测定喷丸表面显微硬度和表面残余应力,利用扫描电镜观察疲劳断口形貌,获得喷丸表面显微硬度和表面残余压应力随喷丸压力、扫描速度及靶距的变化规律,指出射流喷丸可以大幅度地提高2A11铝合金和45钢的疲劳寿命,当2A11铝合金和45钢的应力振幅分别为155.7 MPa和282MPa时,喷丸试样疲劳寿命比未喷丸试样疲劳寿命分别提高25.31倍和18.56倍,且未喷丸试样疲劳裂纹萌生于试样表面,喷丸试样疲劳裂纹有的萌生于试样表面,有的萌生于试样内部,当疲劳源在试样内部时,裂纹在夹杂物处萌生.因此,前混合水射流喷丸是一种提高金属零构件疲劳寿命的有效方法.     

高压水射流喷丸降低焊接残余应力有限元分析

焊接不可避免产生残余应力,对结构完整性造成很大影响。提出利用高压水射流喷丸技术降低焊接残余应力,并利用有限元法进行计算模拟。分别开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序及模拟高压水射流喷丸的移动压力载荷子程序,得到了经高压水射流喷丸处理前后焊接残余应力分布的变化规律。计算结果表明,经高压水射流喷丸处理后,焊缝和热影响区存在的焊态残余应力得到降低,在焊缝区已经产生压缩应力。证明高压水射流喷丸具有降低焊接残余应力的效果。     

磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面性能及残余应力场热松弛行为研究

采用后混合磨料水射流喷丸对经渗碳风冷后的GDL-1钢进行表面强化与改性,通过激光共聚焦显微镜,扫描电镜,透射电镜,显微硬度仪,X射线应力衍射仪分析不同压力水喷后试样表面粗糙度、组织、硬度和残余应力等的变化规律,并研究300 MPa水喷处理后不同保温温度和保温时间残余应力场的热松弛行为。结果表明：随着水压的增加,表面粗糙度增大、残留奥氏体转变量增多、硬度提高幅度变大,水喷后,晶粒和组织得到明显细化,并且在表层形成一定深度的残余压应力场。残余应力的热松弛主要受保温时间和温度的影响,在100℃和300℃时,残余应力的热松弛受回复过程控制,500℃时,残余应力热松弛受回复和再结晶过程控制。表面残余应力在回复过程中存在两个阶段,初始阶段应力松弛速度快,以点缺陷回复为主,后一阶段松弛速率慢,以位错回复为主,并进一步研究指出Zener-Wert-Avrami方程并不适合描述整个回复过程。     

多道焊三维残余应力场有限元模拟

运用大型有限元计算软件ABAQUS，对316L不锈钢平板多道焊接头的温度场和残余应力场进行模拟。有限元模型中选用三维实体单元，考虑材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响。运用内生热的加载方法模拟焊接热源，运用单元激活技术模拟多道焊焊接过程。获得了三维多道焊焊接温度场和残余应力场，并对计算结果进行分析。     

线型聚能水射流的数值模拟

介绍了一种利用爆炸形成线性聚能水射流的结构,采用有限元显式动力分析软件的显式算法对聚能水射流的形成和侵彻钢靶过程进行数值模拟,分析了线型聚能装药的射流的分布特性,并对射流在侵彻过程中的现象进行了分析讨论,对进一步展开对爆炸形成的线型聚能水射流的理论研究具有一定的指导作用。     

基于FEM-DEM的齿轮钢随机喷丸模型及残余应力仿真研究

以20CrMnTi材料制造的齿轮钢为受喷目标,基于对Abaqus有限元软件,应用P3D3离散单元的DEM模型模拟弹丸喷射,建立了随机喷丸的"FEM-DEM"模型.研究了不同沙漏刚度对模型结果的影响,获得了有效控制沙漏模式的沙漏刚度.建立了基于"FEM-DEM"喷丸模型求解的覆盖率表征模型,得出了满足100％覆盖率时所需...     

基于Abaqus的喷丸满覆盖率实现及残余应力场预测

提出单弹丸冲击计算弹痕直径和多弹丸顺序冲击计算残余应力场的有限元模型,针对40Cr钢在有限元分析软件Abaqus中准确模拟喷丸覆盖率并计算残余应力场。与常用的经验方程、解析模型预测结果比较,有限元模型预测残余应力场的效果更好,对表面残余压应力、最大残余压应力和压应力场深度的预测误差在10%以内,对最大残余压应力所在位置的预测具有较好的分析结果。实验表明,该有限元模型有较好的工程指导意义。     

前混合磨料水射流喷嘴应用研究

主要探讨了前混合磨料水射流设备中,喷嘴在清洗、切割及钻孔、扩孔三种作业中的应用.在不同作业中使用的喷嘴种类各不相同,着重对几种常见喷嘴的应用作了系统介绍.为对喷嘴的优化选型提高射流作用的效果提供参敷.     

磨料水射流喷丸强化3D打印TC4表面残余应力分布规律研究

针对磨料水射流喷丸强化3D打印TC4材料表面,通过拉伸试验研究了其在准静态状态下的力学行为规律,获得其屈服强度为648.7MPa、应变强化系数为288.7MPa以及参考应变率为0.36的Johnson-Cook本构模型。采用ABAQUS数值模拟软件分析发现,磨料水射流钢丸速度为10.7～20.2m/s时,3D打印TC4材料的最大残余压应力为-191～-284MPa,喷丸速度与材料残余压应力表层厚度成正比。通过试验验证表明,3D打印TC4材料残余应力模拟结果与试验结果吻合,可为工程应用提供可靠数据依据。     

前混合磨料水射流切割脆性材料研究

提出在有防爆要求的场合下,利用前混合磨料水射流冷切割技术对混凝土等脆性材料进行切割.对脆性材料的切割机制进行研究,建立切割冲蚀模型,分析受冲击区的应力.对混凝土试块进行切割实验,并对分析同切割深度的不同形态所产生的因为.研究表明:在切割初始阶段,高速磨料以较小角度冲击、磨削材料,形成较光滑的切割磨削区;随切深的增加,材料在磨料粒子大角度冲击下形成斜条纹状的变形磨削区.前混合磨料水射流对混凝土等建筑脆性材料具有良好的切割效果,在易燃易爆等应急场合进行切割作业具有独特优势.     

前混合磨料水射流切割金属火雷管研究

磨料水射流切割作业具有高能、冷态、点割、非接触等特点,在有防爆要求的危险场合下进行切割作业有独特的优势。分析磨料水射流切割雷管金属外壳的磨损机制,并分析磨料水射流切割雷管的安全性;运用前混合磨料水射流对工程中常见的金属火雷管进行冷切割实验,取得了预期的效果。     

冰粒气射流喷丸喷头流场数值模拟

基于射流的湍动特性,应用FLUENT对冰粒气射流喷头内流进行数值模拟。分析了射流压力对内流连续相轴向速度和轴向动压强及射流压力和粒径对弹丸轴向速度的影响。结果表明,当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向动压强也随着增大;当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向速度也随着增大;粒子速度随着射流压力的增大呈现先增大后减小的趋势,随着粒径的增大呈现减小的趋势,但最大值均出现在磨料喷嘴出口处。     

前混合磨料高压水射流切割靶距的研究

对穿透不同材料固体时,切割深度、宽度等随靶距的变化进行试验研究,并从理论上分析前混合磨料高压水射流最佳切割靶距。最后求解出切割过程中,靶距与切割深度的公式,并得出可在切割介质中添加高分子聚合物的结论。