弹丸喷丸应力场建模与条带喷丸整体变形模拟

发布时间：2017-10-17 09:32

  本文关键词：弹丸喷丸应力场建模与条带喷丸整体变形模拟

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【摘要】：喷丸工艺广泛应用于金属结构件的表面强化和大型薄壁类零件复杂型面的成形。喷丸成形工艺的关键和难点在于喷丸成形工艺参数的规划以及喷丸变形预测。根据喷丸变形可以对工件的展开板坯预先进行补偿修正,进而提高喷丸成形的型面精度和各结构要素的位置精度。本文以弹丸喷丸成形为研究对象,旨在揭示弹丸喷丸机理、分析条带喷丸变形、规划喷丸成形参数、保障喷丸成形精度,建立并发展相关的分析计算模型与方法,为实现大型薄壁类零件的精确喷丸成形提供理论依据和方法。本文的主要工作和研究成果如下：(1)将Johnson Cook材料模型引入传统的球腔模型中,建立了高速弹丸撞击应变速率敏感材料的应力应变解析模型,可以计算单弹丸撞击应力场及饱和喷丸应力场。对于喷丸成形中非饱和喷丸应力场的计算,研究了多弹丸撞击应力场间的相互影响,发现由多弹丸撞击而引入板料中使板料产生弯曲变形的能量随相邻弹丸间距的变化近似正态变化,且多弹丸撞击平均应力在等深度位置随相邻弹丸间距近似正态变化,根据该发现提出了一个关于喷丸覆盖率及单弹丸撞击应力场的函数,利用该函数结合单弹丸撞击应力场和饱和喷丸应力场可以计算任意覆盖率下的喷丸应力场。计算结果与有限元模拟结果进行了比较,二者相符较好。利用所计算应力场预测板料的喷丸变形,预测结果与试验结果相符较好。(2)针对预应力喷丸中初始应力非零的弹丸撞击弹塑性变形问题,利用椭球面表达预应力弹丸撞击时的弹塑性变形区分界面,结合球腔模型建立了预应力喷丸应力场的解析计算模型,并通过有限元模拟研究了预应力等对喷丸应力应变场及成形曲率等的影响规律。研究发现,随着预应力的增大,在预拉伸应力方向其弹塑性分界面被压缩,在垂直于预拉伸应力的方向其分界面被拉长。预应力对弹丸撞击塑性变形区内应力场的影响较小,且弹丸的撞击作用对深层的预应力影响较小而形成残余预应力。喷丸覆盖率越高,喷丸表层中的残余预应力越少。在塑性区压应力和弹性区残余预应力的综合作用下,初始预应力越大、喷丸覆盖率越大,则喷丸成形曲率越大。结合预应力喷丸成形试验,利用均布预应力静压成形试验精确控制输入参数,验证了有限元模拟结果。(3)分析了条带喷丸成形中板料的变形机理,建立了相关的力学描述。鉴于喷丸条带内喷丸应力场的复杂性,为方便喷丸成形参数的规划与喷丸变形的计算,根据板料厚向平均喷丸应力分布的特点,利用余弦函数等简化表达喷丸应力场,该简化函数所表达的应力场与实际喷丸应力场具有相同的使板料变形的能力。用半解析-试验方法建立了常用喷丸参数与简化函数系数间的关系,试验验证表明利用该函数可以较准确地预测常用喷丸参数下的板料喷丸变形。(4)建立了条带喷丸覆盖率与喷丸参数间的关系模型。条带喷丸覆盖率由弹坑尺寸和弹坑分布决定,弹坑分布由喷丸参数和机床参数决定。在单条带宽度方向,弹坑在单条带内呈正态分布。该正态分布的标准差由机床参数决定,可以通过一组试验来确定。基于所得的正态分布参数可以计算任意喷嘴移动速度和移动轨迹下的喷丸覆盖率,进而实现喷丸覆盖率的控制。(5)针对板料喷丸变形,以成形曲率误差满足设计公差要求以及喷丸延展变形较小为原则,建立了喷丸成形应力场的规划方法。将工程约束条件在算法中转化为对简化应力场函数的约束,简化了算法。基于ABAQUS有限元分析软件建立了喷丸成形参数的自动规划方法,可以实现大型复杂型面喷丸成形参数的规划。在自动模拟规划中,采用分步分区的方法,逐步细化喷丸成形参数；提出在每个分区利用五个参考点监测模拟型面与目标型面间误差的方法,解决了微波浪型成形型面与光滑目标型面间的对比问题,提高了自动规划方法的可执行性；通过改变本征应变场调整喷丸成形应力场使模拟型面与目标型面贴合,可以实现分析步内对喷丸应力场的时时调整。通过分析步内型面误差的时时监测及反馈,实现了喷丸成形参数的自动规划。(6)以飞机机翼壁板为例,研究了大型薄壁类零件的喷丸变形分析方法。利用CATIA环境下开发的壁板几何信息提取模块获得壁板的相关几何信息；根据壁板型面上的极大曲率等值线分区划分条带喷丸轨迹；利用所建立的自动规划方法获得喷丸诱导应力及喷丸成形参数。提出一种等效渐进模拟方法分析喷丸零件的变形,该方法提取设计壁板模型和展开壁板模型的外翼面建立复合壳单元有限元模拟模型,在模拟分析步内将喷丸诱导应力逐步引入到壳单元的截面点上诱导其渐进变形,提高了大尺寸薄壁零件大挠度变形非线性模拟的收敛性,提高了模拟精度。模拟结果表明,所规划的喷丸成形诱导应力能使模拟型面与目标型面贴合良好,模拟获得的展向延展变形与试验值相符。本文的研究成果成功应用于C919客机机翼壁板的喷丸成形,一方面对喷丸成形参数进行了规划,另一方面根据喷丸成形模拟获得的延展变形对壁板的展开板坯进行了补偿修正,保障了其成形精度,使之满足了装机要求。
【关键词】：喷丸成形 喷丸参数 数值模拟 预应力 喷丸应力 整体壁板
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V261
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-23
• 1 绪论23-47
• 1.1 研究背景和意义23-24
• 1.2 国内外研究现状24-44
• 1.2.1 喷丸工艺分类24-26
• 1.2.2 弹丸喷丸成形工艺参数26-31
• 1.2.3 弹丸喷丸成形工艺试验31-34
• 1.2.4 喷丸应力解析计算研究34-39
• 1.2.5 喷丸应力数值模拟研究39-40
• 1.2.6 喷丸变形数值模拟研究40-43
• 1.2.7 喷丸成形工艺参数规划43-44
• 1.3 弹丸喷丸成形工艺中尚存在的问题44-46
• 1.4 论文的主要工作及章节安排46-47
• 2 弹丸撞击应力场解析计算47-85
• 2.1 引言47
• 2.2 单弹丸撞击问题47-58
• 2.2.1 弹性应力应变场及位移场47-48
• 2.2.2 球腔参数与弹坑尺寸48-49
• 2.2.3 应变速率与弹丸速度49-51
• 2.2.4 塑性应力应变场及位移场51-52
• 2.2.5 喷丸参数与弹坑尺寸52-54
• 2.2.6 弹丸回弹卸载54-56
• 2.2.7 单弹丸撞击残余应力56-58
• 2.3 多弹丸撞击问题58-66
• 2.3.1 喷丸覆盖率与弹丸间距58-59
• 2.3.2 弹丸间距与喷丸应力场59-61
• 2.3.3 多弹丸撞击中的能量叠加61-63
• 2.3.4 多弹丸撞击应力场63-66
• 2.4 解析模型验证66-70
• 2.4.1 材料本构模型参数66-67
• 2.4.2 球腔内压模拟67
• 2.4.3 刚性弹丸撞击模拟67-68
• 2.4.4 弹性弹丸撞击模拟68-69
• 2.4.5 喷丸成形试验69-70
• 2.5 结果分析70-82
• 2.5.1 球腔模型应力70-71
• 2.5.2 弹坑尺寸与接触压力71-75
• 2.5.3 弹丸的弹性变形及其影响75
• 2.5.4 弹坑中心线位置的应力75-78
• 2.5.5 喷丸诱导应力的等效弯矩78-79
• 2.5.6 喷丸成形曲率79-80
• 2.5.7 一般覆盖率下的喷丸应力80-82
• 2.6 本章小结82-85
• 3 弹丸撞击应力场模拟计算85-127
• 3.1 引言85
• 3.2 预应力喷丸85-94
• 3.2.1 预应力喷丸成形85-87
• 3.2.2 预应力喷丸机理87-94
• 3.3 有限元模拟模型94-98
• 3.3.1 弹丸均布模型94-95
• 3.3.2 单弹丸静压模型95-97
• 3.3.3 单弹丸撞击模型97
• 3.3.4 均布的四弹丸静压模型97
• 3.3.5 均布的四弹丸撞击模型97
• 3.3.6 模拟结果提取97-98
• 3.4 静压试验与喷丸试验98-100
• 3.4.1 预弯装置与试件98
• 3.4.2 均布静压试验98-99
• 3.4.3 预应力喷丸试验99-100
• 3.5 结果分析100-125
• 3.5.1 压坑和弹坑尺寸100-103
• 3.5.2 弹塑性变形区界面103
• 3.5.3 塑性区尺寸103-107
• 3.5.4 计算应力与模拟应力107-109
• 3.5.5 静压应力和喷丸应力109-114
• 3.5.6 多弹丸撞击应力场114-117
• 3.5.7 截面弯矩和延展力117-120
• 3.5.8 喷丸成形曲率120-121
• 3.5.9 静压力和撞击速度121-125
• 3.6 本章小结125-127
• 4 板料喷丸成形分析127-151
• 4.1 引言127
• 4.2 板料喷丸变形127-131
• 4.2.1 均匀喷丸成形127-128
• 4.2.2 条带喷丸成形128-131
• 4.3 简化喷丸应力131-134
• 4.3.1 喷丸应力函数132-133
• 4.3.2 函数中系数的确定133-134
• 4.4 条带喷丸覆盖率134-138
• 4.4.1 覆盖率与喷丸参数134-135
• 4.4.2 单条带内弹坑分布规律135-137
• 4.4.3 条带喷丸覆盖率137-138
• 4.5 喷丸试验138-139
• 4.5.1 弹坑尺寸试验138
• 4.5.2 喷丸成形曲率试验138-139
• 4.5.3 条带覆盖率试验139
• 4.6 结果分析139-149
• 4.6.1 喷丸诱导应力139-143
• 4.6.2 条带喷丸覆盖率143-149
• 4.7 本章小结149-151
• 5 喷丸成形参数规划151-177
• 5.1 引言151
• 5.2 喷丸成形应力场规划151-155
• 5.2.1 边界条件151-152
• 5.2.2 喷丸应力场规划流程152-155
• 5.3 基于数值模拟的喷丸参数规划155-163
• 5.3.1 模拟中型面的监测155-157
• 5.3.2 条带喷丸成形模拟157-159
• 5.3.3 条带喷丸诱导应力159-160
• 5.3.4 模拟诱导应力160-161
• 5.3.5 自动化模拟方法161-163
• 5.4 喷丸成形试验163-164
• 5.4.1 喷丸应力场解析计算实例163
• 5.4.2 条带喷丸成形试验163-164
• 5.5 结果分析164-174
• 5.5.1 喷丸应力场解析计算结果164-170
• 5.5.2 喷丸应力场有限元分析结果170-174
• 5.6 本章小结174-177
• 6 试验验证与工程应用177-191
• 6.1 引言177
• 6.2 机翼壁板喷丸成形分析177-184
• 6.2.1 壁板几何信息提取177-179
• 6.2.2 条带喷丸路径规划179-181
• 6.2.3 喷丸应力场与喷丸参数181-182
• 6.2.4 壁板喷丸成形模拟——等效渐进模拟方法182-184
• 6.3 壁板喷丸成形试验184-185
• 6.4 结果分析185-190
• 6.4.1 模拟型面精度分析185-186
• 6.4.2 模拟延展量分析186-190
• 6.5 本章小结190-191
• 7 论文工作总结与展望191-195
• 7.1 总结191-193
• 7.2 本文的主要创新点193
• 7.3 展望193-195
• 参考文献195-205
• 附录A205-207
• 附录B207-209
• 致谢209-211
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况211-213

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周建忠;樊玉杰;黄舒;阮鸿雁;朱伟;卫登辉;王呈栋;陈寒松;;激光微喷丸强化技术的研究与展望(邀请论文)[J];中国激光;2011年06期

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本文编号：1048072