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喷丸数值模拟技术的研究意义和发展 

2020-04-21 16:14:25

喷丸数值模拟的研究意义;长久以来,因为设计的参数过多,用实验法研究喷丸工艺过程极为耗时耗力,随着计算机技术和有限元的发展,使用有限元模拟的方法来研究喷丸成形过程中的材料变形、残余应力的形成过程成为可能。而且在喷丸实际作业中,众多喷丸参数的选择需要经过大量实验,而且不同材料、不同形状构件所产生的残余应力也不同,如果能在进行实际作业前利用数值模拟方法进行参数优化,将在实际工业生产中节省生产成本的同时有效提高喷丸的作用效果。

喷丸数值模拟的关键技术;喷丸过程中,靶件的变形是在与弹丸接触状态下进行的,弹丸通过该接触表面把力和速度的作用施加到靶件上,使之产生塑性变形。这种作用状态随着变形的过程进行而在不段变化,因此他对模拟分析有着极其重要的影响。靶件在接触表面受到弹丸产生的力和速度的约束作用,即切向摩擦应力和法向冲击速度约束,所以接触表面是混合边界条件表面。接触的复杂性使喷丸的有限元模拟成为一个高度非线性问题。在进行模拟之前,需要解决以下几个问题;

1、接触应力边界条件处理;

2、速度约束条件的引入;

3、初始状速度场及刚性区;

4、动态接触边界的自动处理技术。

喷丸数值模拟国内外的研究进展;

与国外相比,国内对喷丸的数值模拟起步较晚,学术界相关研究工作也不够活跃,但是从近来来相关文献量的快速上升中可以看出国内对喷丸的数值热度增长非常快,发展非常迅速。李雁淮等基于ABAQUS分别建立了单丸粒和多丸粒模型,他们得出当覆盖率100%时,残余应力幅值明显增加。李源等基于ABAQUS提供的python语言开发了一种新的喷丸模型,这种模型可以随机分布弹丸的方向,可以精que地模拟喷丸强度的饱和过程。王强等基于ANSYS建立了有限元模型,通过调整弹丸速度、弹性模量和直径大小进行喷丸过程的模拟分析。须庆等基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了喷丸过程模型,对不同参数下残余应力的分布进行分析,进而探讨了单晶性质对余喷丸残余应力的影响。刘飞宏等采用光滑粒子流体动力学,简称SPH耦合有限元法模拟喷丸强化过程,并对此方法做了系统的研究,通过仿真结果与实验数据的对比分析,验证了仿值模型及结果的正确性,为喷丸强化的仿真研究和工艺参数优化设计提供了强有力的工具,胡凯征等基于ABAQUS建立了有限元模型,这种模型基于温度场,将复杂的动态过程近似地静化,从而简化了研究过程以及研究难度。洪涛等采用了三维离散元法对喷丸工艺进行了数值模拟,并结合有限元法的结果,提出对喷丸强化工艺参数的优化控制,提高喷丸工艺的工艺水平。张洪伟等基于大型有限元软件LS-DYNA研究了弹丸冲击作用下,铝合金材料动态响应过程中的应力波结构、应变率效应及应力波衰减效应等动态参量,研究了弹丸搭接率对于残余应力场的影响,建立了高覆盖率多丸粒强化模型,研究了冲击顺序、材料应变率及初始残余应力对强化效应的影响,研究了喷丸强化后的表面微观变形特征。凌翔等基于ABAQUS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。借助于计算机技术以及有限元软件的快速地展,国内对喷丸的数值化模拟经几年的快速地展就以经达到了一个很高的层次,但是与国外的差距任然很大。

与国内相比,国外相差研究起步非常早,也非常活跃。上世纪80年代前,该领域研究的主要困难在于对高应变率下的弹性以及非弹性现像缺乏足够的认识。很难对冲击时靶材的反应做出合理的解释,所以基本没有喷丸的相关文献出现。很快,僵局被打破,AI-Hassani1981年和1984年发表了两篇文章,文中利用方法描述了冲击过程,将之前看似难以琢磨的问题简单化,并且首次利用解析法分析了喷丸残余应力场,得出了单丸单次冲击时残余应力分布公式。以此为基础,这一研究进入活跃期,新的文献不断出现。Meguid等开始将FEM用于喷丸研究,开创了有限元法研究喷丸的先河。98年,Levers等采用热载荷的方法模拟了喷丸成形过程。A1-Obaid等首次使用了等参数单元的概念,椒靶件的离散化更为简单。2010年,Bhuvaraghan等利用DEMFEM联合从而更加准确地计算得出了喷丸残余应力场分布。2011Gariepy.A等采用有限元法定量地分析了喷丸残余应力场,以此为标志,基于有限元模拟的喷丸研究更加细化。

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在双对数从标系纸上画出如图2.1所示的da/dN-k曲线,这条可用S型曲线来描述,而且这种S型曲线通常被划分为三个区域;

I区通常称为近门槛值区,存在k的某一个下限值Kth,通常称之为疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值,临近Kth时,da/dN急据减小并趋于零值,当k小于Kth时裂纹不扩展,当k大于Kth时裂纹开始缓慢扩展。Kth受循环应力特征R的影响很大,保持R不变通过试验可以测得Kth。经过多年的发展,学者们以经推导出很多经验公式,研究者可以根据实际情况参考。

II区通常称为稳定扩展区,也是裂纹扩展的主要部分。

III区通常称为快速扩展区,它存在一个上限值KIc,这个通常称之为疲劳断裂韧度。在这一区域中,da/dN急速增加,裂纹扩展快,寿命段,一般用铅垂渐近线表示。此阶段裂纹扩展极快,在整个疲劳寿命中占的权重很小,可忽略不计。

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