菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置,借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程,同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型,通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数,最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态.结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律,并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律,测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内.临界冲击工况下颗粒动能损失最大,且冲击角越高,残余动能越少;颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式;颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系,模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.

菱形颗粒冲击延性材料的运动行为及凹坑形态研究

针对菱形颗粒的冲蚀磨损过程建立了基于拉格朗日法的耦合数值计算模型,通过模型分析了不同冲击速度v i、冲击角αi和方位角θi下菱形颗粒冲击延性材料的运动学行为和凹坑轮廓形态。结果表明:冲击角和方位角是决定颗粒旋转的关键因素,但会受冲击速度的影响发生变化。冲击速度对前旋颗粒的旋转方向和运动行为影响较小,产生的凹坑轮廓基本不变;对“后旋”颗粒的运动行为影响较大,存在某一切削速度范围55~100 m/s,当v i在该范围内时,延性材料表面发生切屑分离,当v i小于或大于该范围,均无切屑分离现象发生,只发生材料堆积,但形成材料堆积的原因不同,冲击速度小时初始动能低,不足以将材料切断剔除,被“挖掘”的材料堆积在凹坑表面;冲击速度大时颗粒法向嵌入深,颗粒出现“挖掘”和“微切削”的综合作用,在“微切削”的作用下产生细长切屑堆积在凹坑前面。低冲击角和大方位角的临界冲击在不同冲击速度下产生的颗粒运动行为和凹坑轮廓与“后旋”冲击产生的规律一致,高冲击角和小方位角的临界冲击在不同冲击速度下产生的颗粒运动行为和凹坑轮廓与前旋冲击产生的规律一致。

微小角形颗粒冲击行为和冲蚀凹坑的仿真研究

微小角形颗粒冲击金属表面会造成材料脱落、大变形等破坏形式,同时伴随着颗粒的反弹、旋转等行为。常规的数值方法如有限元法并不擅长此类问题的求解。提出一种无网格冲蚀模型,采用光滑粒子动力学方法计算金属材料的弹塑性变形,并将模拟的角形颗粒冲击运动学过程与高速摄像机捕捉的瞬态图像进行对比,验证了模型的正确性。借助于模型对颗粒冲击自旋行为和冲蚀凹坑进行研究,结果表明,颗粒自旋方向主要由方位角和冲击角决定,受冲击速度的影响较小;在某一固定冲击角下存在一个临界方位角,当方位角小于该临界值时,颗粒冲击后向前旋转,反之则向后旋转;此外也验证了颗粒自旋行为与冲蚀凹坑形貌之间的相关性,为今后深入研究固体颗粒冲蚀机理奠定了良好的基础。

磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析

对磨料水射流加工过程材料的去除机制及相关影响因素进行了分析,结果表明:工件表面材料的去除主要取决于磨料粒子的切削、铲削以及压痕成坑等侵蚀行为的综合作用,介质水起到加速粒子以及冷却工件作用,保证加工过程材料无热变形现象发生。影响工件切割效果的因素有很多,包括射流压力P、进砂比、进给速率V以及喷嘴高度h等,其中射流压力P和进砂比影响工件切割深度和切割效率,进给速率V影响切面质量及切缝角的大小,喷嘴高度h影响切缝形态及切割深度,h过大时射流束失去聚合性,出现发散现象,无法完成预设切割深度。