喷丸残余应力场及表面粗糙度数值模拟研究

发布时间：2017-09-08 14:11

  本文关键词：喷丸残余应力场及表面粗糙度数值模拟研究

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【摘要】：喷丸强化是一种表面强化工艺,能显著提高工件疲劳寿命,被广泛应用于工业。喷丸改善工件疲劳性能在于在表层形成残余压应力,表面粗糙度变化,表层材料组织变化,其中表层的残余压应力是目前公认的主要强化因素。虽然表层材料组织变化也有利于提高工件疲劳寿命,但影响程度相对较弱。上述喷丸强化三要素按对影响抗疲劳性能的程度排序为：残余压应力表面粗糙度变化表层材料组织变化。故在本文中主要研究残余应力和表面粗糙度。在传统的有限元模型中弹丸的数量较少且为规则阵列排布,属于微观模型。在本文中利用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)耦合FEM (Finite Element Method)的方法建立新型宏观随机模型,使仿真更加符合实际喷丸过程。且以往仿真研究分别考虑单个参数独立对残余应力的影响效果,对表面粗糙度的研究很少。首先利用LS-DYNA并结合正交试验法建立多丸粒有限元微观模型,并与实验对比验证了模型的正确性；运用综合评分法对喷丸后的工件表面残余压应力层深度、表面残余压应力、最大残余压应力深度、最大残余压应力值四个目标值进行综合评判。通过对综合目标值的极差分析,确定弹丸直径、冲击角度、冲击速度、搭接率、同一位置的冲击次数、弹丸与工件的摩擦系数、弹丸材质7个喷丸工艺参数对综合目标值的影响程度,通过综合评判分析得出最优的喷丸工艺参数组合方案。其次建立SPH耦合FEM的喷丸宏观模型,对喷丸过程进行数值模拟；使用MATLAB对弹丸空间位置坐标进行随机化处理,形成了大量丸粒冲击工件表面的随机喷丸仿真模型。通过分析确定了喷丸饱和时间,研究了冲击角度、质量流速对残余应力场的影响。结果表明：弹丸速度越大,达到饱和所需的时间越短；冲击角度增大,残余压应力增大；质量流速增大,残余压应力增大,但当其达到饱和值后,残余压应力不再变化。最后建立研究喷丸表面粗糙度的多丸粒有限元模型,通过单丸粒有限元模型验证研究所用多丸粒模型的正确性,研究了喷丸参数对工件表面粗糙度的影响。结果表明：经喷丸后所得到的工件表面粗糙度随着喷丸覆盖率的增大而减小,当到达一定覆盖率后,表面粗糙度值稳定；弹丸冲击速度、弹丸尺寸增大,工件表面粗糙度值增大。
【关键词】：喷丸强化 残余压应力 正交试验 SPH耦合FEM 表面粗糙度
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG668
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 课题研究背景及意义15-17
• 1.2 喷丸强化研究现状17-21
• 1.2.1 解析模型17
• 1.2.2 实验模型17-19
• 1.2.3 仿真模型19-21
• 1.3 课题研究内容21-23
• 第2章 FEM和SPH方法23-33
• 2.1 FEM方法23-24
• 2.2 SPH方法24-27
• 2.2.1 SPH理论发展历程24-25
• 2.2.2 SPH方法的核心问题25-27
• 2.3 SPH耦合FEM方法27-29
• 2.3.1 接触算法27-28
• 2.3.2 SPH计算流程28-29
• 2.4 LS-DY-NA介绍29-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第3章 基于有限元法的喷丸仿真正交试验研究33-47
• 3.1 正交试验法33-36
• 3.2 有限元模型描述36-40
• 3.2.1 有限元模型的建立36-37
• 3.2.2 Johnson-cook模型本构方程37-39
• 3.2.3 模型的验证39-40
• 3.3 喷丸数值模拟正交试验40-44
• 3.3.1 模拟试验目的40
• 3.3.2 模拟试验安排40-41
• 3.3.3 数据处理41-43
• 3.3.4 结果分析43-44
• 3.4 本章小结44-47
• 第4章 基于SPH耦合FEM法的喷丸数值模拟47-57
• 4.1 SPH耦合FEM模型的建立47-51
• 4.1.1 工件模型的建立47-48
• 4.1.2 弹丸流模型的建立48-49
• 4.1.3 弹丸空间位置随机分布49
• 4.1.4 模型建立及验证49-51
• 4.2 结果分析51-56
• 4.2.1 喷丸效果图51-52
• 4.2.2 饱和时间的确定52-54
• 4.2.3 冲击角度对残余应力的影响54-55
• 4.2.4 质量流速对残余应力的影响55-56
• 4.3 本章小结56-57
• 第5章 基于有限元法的喷丸表面粗糙度仿真分析57-65
• 5.1 表面粗糙度概述57-58
• 5.2 有限元仿真分析58-64
• 5.2.1 模型建立58-60
• 5.2.2 覆盖率的影响60-62
• 5.2.3 弹丸冲击速度的影响62-63
• 5.2.4 弹丸尺寸的影响63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 总结与展望65-69
• 总结65-66
• 展望66-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文77-78
• 附件78

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本文编号：814475