TC4喷丸强化仿真与试验

针对目前喷丸有限元仿真研究中弹丸规则排列、覆盖率无法精确计算的研究现状,基于ABAQUS二次开发建立了弹丸空间位置随机分布、弹丸数量由覆盖率决定的多弹丸喷丸有限元模型,实现了不同工况、不同喷丸覆盖率条件下所需弹丸个数的精确计算;在此基础上研究了不同喷丸参数对TC4钛合金材料表面残余应力与表面粗糙度的影响规律。进行了TC4喷丸试验,将得到的残余应力分布、表面粗糙度与仿真结果进行对比,验证了该有限元模型的合理性。研究成果对喷丸工艺参数的确定具有一定的指导意义。

基于随机弹丸的7075铝合金喷丸的残余应力场(英文)

采用随机弹丸模型,研究了不同弹丸数目及位置、分析步时间、覆盖率及靶材表面粗糙度对7075-T651高强度铝合金经喷丸强化后产生的残余应力场的影响。结果表明:不同弹丸数目及位置对残余应力场有显著影响;对于45个随机弹丸模型,当分析步时间为0.075ms时,残余应力场达到稳定状态,对于15、25、65及85个随机弹丸模型,稳定分析步时间分别为0.065、0.0683、0.0817和0.0883ms;当弹丸数目从15增加到65时,σsrs和σmcrs随弹丸数目的增多而增加,当弹丸数目继续增加到85时,σsrs和σmcrs出现减少现象,Zm随着弹丸数目的增加并未表现出明显的变化,Z0随着弹丸数目的增多而不断增加;σsrs随着靶材表面粗糙度的变化未表现出明显的变化规律,σmcrs、Zm和Z0随着表面粗糙度的增大而不断减小。

基于喷丸随机模型的表面覆盖率计算方法

为了揭示金属结构表面喷丸处理过程中覆盖率的变化规律,通过分析喷丸随机模型的建模流程及靶材的喷丸后形貌,利用MATLAB软件开发了基于喷丸随机模型的覆盖率计算程序,并将此与传统覆盖率计算方法进行了对比.结果表明:以直径为1.0 mm,速率为50 m/s的弹丸对构件进行喷丸处理,当弹丸数目N<20时,新方法(MATLAB法)与传统方法(PEEQ法和理论公式法)的计算结果较接近;随着弹丸数目的增加,在达到全覆盖之前,3种方法的计算覆盖率为C_(PEEQ)>C_(th)>C_(MATLAB);全覆盖时,3种方法所对应的弹丸数目分别为100、140和190.

2024铝合金随机多弹丸喷丸后残余应力场的有限元模拟

基于有限元分析软件ABAQUS建立了2024铝合金随机多弹丸喷丸的三维有限元模型,首先模拟了不同弹丸数量下残余应力场的变化特征,然后分析了弹丸速度和直径对残余应力场的影响;最后进行了试验验证。结果表明：弹丸数量大于80颗后,残余应力基本不再变化;增加弹丸速度可显著提高残余压应力层的深度、各深度残余压应力值以及残余压应力的峰值,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增大弹丸直径对0-0.1 mm深度内的残余压应力值影响不大,对残余压应力层的深度、0.1mm深度以下的残余压应力值、残余压应力峰值及残余压应力峰值的深度提高明显;有限元模拟结果与试验结果接近,说明模拟结果准确。

大量弹丸随机分布的薄壁件喷丸强化形变仿真

利用有限元与离散元(FEM–DEM)耦合方法对薄壁件喷丸强化过程中的形变特征进行了仿真,建立以Almen试片为对象的大量弹丸随机分布喷丸强化模型,并采用喷丸试验进行验证。模型中平直薄壁试片经随机弹丸喷丸强化后呈弧状向上翘曲,形变特征与实际Almen试片喷丸形变一致,当喷丸气压由0.07 MPa增加至0.11 MPa时,模拟弧高由0.340 mm增加到0.521 mm,弧高值模拟准确率可达95%;随机喷丸强化在Almen试片表面引入的残余应力场沿深度方向呈“S”形倒钩状分布,随着喷丸气压的增大,模拟得到的表面残余压应力由–400 MPa左右增大到–700 MPa左右,与试验测试结果最大误差为11.31%;Almen试片表面粗糙度Ra随喷丸气压增加而增加,模拟粗糙度值由0.476μm增加到0.630μm,模拟最大误差为6.78%。经过对比验证,构建的模型仿真结果与喷丸试验吻合度较高。FEM–DEM耦合随机喷丸模型能够较好地模拟薄壁件形变、残余应力场和表面粗糙度的变化规律。

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r_(m)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况。结果焊后焊缝横向残余应力σ_(x)和纵向残余应力σ_(z)分别可达227、196 MPa,调整喷丸参数可以消除残余拉应力并引入残余压应力。本仿真范围内,d=1 mm、θ=60°、v=60 m/s、r_(m)=9 kg/min为最优喷丸参数,此时对于σ_(x)和σ_(z),表面残余压应力分别可达-246、-275 MPa,最大残余压应力分别为-306、-310 MPa,最大残余压应力深度分别为0.24、0.27 mm,残余压应力层深度分别为0.78、0.66 mm。结论无论是σ_(x),还是σ_(z),增大d和θ,最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增大;增大v,最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增加。因此,喷丸强化能够明显改善Q235B焊接接头残余应力场。

42CrMo曲轴钢喷丸强化有限元模拟

喷丸强化能够有效提高42CrMo曲轴钢的抗疲劳性能,且喷丸数值模拟是制定喷丸工艺方案、评估喷丸后工件表面疲劳抗力的主要理论工具。为了体现喷丸过程中的随机性,利用MATLAB软件提供的Rand随机函数产生弹丸的位置,建立随机喷丸模型,并在此模型基础上研究弹丸直径、弹丸材料、冲击速度以及覆盖率与残余应力间的分布规律,进一步讨论喷丸工艺对42CrMo曲轴钢表面粗糙度的影响。研究发现:随着弹丸直径以及速度的增大,残余应力增大,抗疲劳性能提高,但粗糙度也相应增大;随着覆盖率的增大,残余应力增大,表面残余应力分布更加均匀,稳定性提高;同时弹丸强度越高,残余应力越大。通过喷丸试验对随机多弹丸模型进行验证,为喷丸工艺的精确控制提供了科学依据和理论基础。

喷丸对18CrNiMo7-6钢硬度影响的有限元分析

目前喷丸强化的数值研究工作大多集中于喷丸参数对表面形貌和残余应力分布规律的影响,缺少对表面硬度影响规律的研究。针对这一现状,基于随机多丸粒有限元模型以及屈服强度和维氏硬度之间的经验关系,开展喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6合金钢强化层硬度分布影响的研究。数值结果表明随着覆盖率的增大,靶材的表层硬度逐渐增大;随丸粒半径和速度增加,靶材的硬化层深度逐渐增加。

GH4169高温合金喷丸残余应力有限元分析

采用ABAQUS/Python二次开发技术,建立了镍基高温合金GH4169的随机多丸粒喷丸有限元模型。以此为基础,通过有限元模拟分析了不同的喷丸速度、弹丸直径等参数对GH4169合金喷丸后表面残余应力的影响规律。同时,对相应的喷丸过程进行试验研究,从二者的对比结果中可以看出,残余应力仿真结果与实测结果具有较好的一致性。