基于SPH法的噴丸殘余應(yīng)力及表面形貌數(shù)值仿真研究.pdf

1、噴丸強(qiáng)化是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的提高零件疲勞強(qiáng)度的表面強(qiáng)化工藝。該工藝機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，其殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量常使用X射線衍射法或盲孔法等，均涉及工件表面材料去除，使得實(shí)驗(yàn)研究成本高、效率低、操作復(fù)雜且不直觀。而數(shù)值仿真可為噴丸強(qiáng)化過(guò)程提供一種經(jīng)濟(jì)、高效的研究之路。傳統(tǒng)基于有限元法的仿真研究?jī)H限于模擬單丸和少數(shù)丸粒的噴丸過(guò)程，且有限元法在處理切屑分離及大變形問(wèn)題上具有局限性。因此，本文擬采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed p

2、article hydrodynamics，SPH)耦合有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)的新型數(shù)值建模方法，研究銳邊彈丸對(duì)工件表面形貌的影響以及包含大量彈丸的噴丸強(qiáng)化過(guò)程，以期得到更加符合實(shí)際的仿真結(jié)果。
　　 首先使用SPH法耦合FEM法建模，研究銳邊彈丸在不同入射角和前傾角下撞擊工件表面時(shí)，彈丸的翻轉(zhuǎn)作用對(duì)工件表面形貌所產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，當(dāng)前傾角較大時(shí)，彈丸趨于向前翻轉(zhuǎn)，對(duì)工件表面形成碾壓作

3、用，并形成尖銳的彈坑，其切屑將堆積在彈坑前部邊緣不與工件分離;而當(dāng)前傾角較小時(shí)，彈丸則趨于向后翻轉(zhuǎn)，對(duì)工件表面形成鏟削作用，使切屑與工件分離，所形成的彈坑光滑而平緩。同時(shí)定量研究了不同入射條件對(duì)彈坑深度、切屑堆積高度的影響。通過(guò)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了仿真模型及結(jié)果的正確性。
　　 其次通過(guò)建立單丸和多丸粒的噴丸強(qiáng)化有限元模型，研究了多種因素對(duì)噴丸殘余應(yīng)力層的分布及表面形貌的影響。采用正交試驗(yàn)法，考察了噴丸速度、丸粒大

4、小及搭接率對(duì)殘余應(yīng)力層深度的影響。根據(jù)仿真結(jié)果開(kāi)展極差分析確定三因素的最佳參數(shù)組合;通過(guò)方差分析研究三因素對(duì)噴丸殘余應(yīng)力層的顯著性影響。其研究結(jié)果將對(duì)噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的合理選取起到一定的指導(dǎo)作用。
　　 最后使用SPH法耦合FEM法研究了包含大量丸粒的宏觀噴丸強(qiáng)化過(guò)程。其中工件使用FEM法建模，混合彈丸流使用SPH法建模，二者通過(guò)特定的接觸算法實(shí)現(xiàn)耦合。文中探索了利用SPH法建立混合彈丸流模型的建模策略，采用半經(jīng)驗(yàn)的方法推導(dǎo)了彈