基于CAE的表面喷丸强化技术研究

BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology基于CAE的表面喷丸强化技术研究北京石油化工学院机械工程学院2013年7月张洪伟©BIPTBeijingInstituteofPetrochemicalTechnology22内容提要研究背景和意义国内外研究现状数值模拟及冲击效应研究结论BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology研究背景和意义疲劳破坏成为隐含的安全“杀手”。抗疲劳制造是新一代先进技术。表面工程已经成为21世纪制造业的共性基础和最重要的发展领域之一。喷丸强化工艺应用广泛，许多关键重要基础构件，如发动机涡轮盘与叶片、飞机起落架、火箭口盖与支座、齿轮、主轴承等。©BIPTBeijingInstituteofPetrochemicalTechnology喷丸强化机制+σr-σrδc距表面深度δ残余应力喷丸强化是高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology强化效果度量弧高度试片及弧高度值喷丸强度BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology采用喷丸强化技术，提高结构金属材料的宏观力学性能以及微观强化机理一直备受科研和工程人员的重视和关注。喷丸强化是目前国内外广泛采用的抗疲劳制造技术，有着重大的工程意义和广阔的应用前景，对其进行研究，以推动新的喷丸工艺和技术应用。喷丸强化属于典型的冲击动力学问题，其研究成果具有通用性和适用性，如对于弹丸侵彻、固体冲蚀等研究也有借鉴意义。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology国内外研究现状喷丸强化工艺研究发展历程数值模拟研究问题及局限性BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology国外喷丸强化技术始于20世纪20年代，我国于20世纪50年代起开始采用喷丸技术。60年代初，开始对喷丸强化技术的系统研究，并将其应用于易发生疲劳失效的零件上，获得了巨大成功;第一届国际喷丸学术会议于1981年在巴黎召开，并成立了国际喷丸学术委员会，推动了喷丸强化的应用研究;国外学者进行了喷丸强化机理及实验研究，Al-Obaid等、Al-Hassa等研究了喷丸残余应力场的形成及力学机理。国内北京航空材料研究所、燕山大学等单位，学者王仁智、姚枚、高玉魁等做了大量的理论研究，但多数文献是侧重于工程实际应用。研究发展历程BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology数值模拟研究国外学者较早地将有限元等数值模拟方法引入到喷丸强化的研究中，开展了大量数值计算研究工作，取得了很大进展.国外关于喷丸强化过程的数值建模和仿真方面一直是研究的热点和重点。国内数值模拟方面文献较少，仍集中在试验研究方面,数值模拟研究相对落后于国外。喷丸强化效果的定量化分析、快速预测以及与此有关的数值模拟技术将是喷丸强化过程研究的发展趋势。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology数值仿真模型BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology研究不足及局限性目前喷丸强化研究，多数是建立在实验研究的基础上，具有很大的局限性，无法掌握残余应力场的分布和演化机制。喷丸强化过程是涉及到复杂的非线性动态碰撞接触问题，特别是高覆盖率多丸粒三维动态数值模拟，仍有许多理论和关键技术尚待解决；目前喷丸强化研究中对于材料内部应力波传播特性关注较少，对此缺乏较为深入和系统的分析；BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology目前数值模拟都是确定性分析，不确定因素的影响被忽略或者通过使用比较保守的假定来考虑，这些不确定性因素，都大大降低了数值模型结果的确定性.进行喷丸强化过程不确定性研究，这是目前见到的相关文献所欠缺的；目前相关的喷丸强化研究均作了大量的简化，假设为理想均匀撞击，设定弹丸入射数量、入射速度及弹丸、靶体材料碰撞位置，等等.这与实际喷丸强化过程是有一定差异的。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology数值仿真方法及单丸粒建模多丸粒数值模拟研究材料内部应力波研究强化效果预测数学模型研究冲击表面变形研究随机有限元模型研究数值模拟及冲击效应研究BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology动态响应特征：动态碰撞、应变率效应、应力波传播及相互作用显式动态算法：中心差分法动态碰撞接触算法：罚函数法单元类型：solid164、单点积分有限元模型：对称模型单丸粒有限元模型单元类型数值仿真方法及单丸粒建模研究BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology材料本构模型：Johnson-Cook模型)1(ln1**mnTCBA求解时间选择01234567891000.511.522.533.544.55Energy(mJ)Time(μs)hourglassenergykineticenergyinternalenergytotalenergy能量变化历程BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology模型验证：实验数据、仿真数据02468101214161820-400-300-200-1000100200300Distancealongsurfacefromindentationcenter(mm)Residualstress(MPa)SimulationExperimentKobayashi实验数据与本文仿真结果00.511.522.5-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0v=75m/sv=100m/sv=75m/s(Meguidetal.)v=100m/s(Meguidetal.)Meguid仿真数据与本文仿真结果BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology弹丸速度影响00.511.522.5-2-1.5-1-0.500.5Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0v=50m/sv=75m/sv=100m/sv=125m/s00.511.522.500.050.10.150.20.250.30.35Depth(mm)Equivalentplasticstrain,εeqvplv=50m/sv=75m/sv=100m/sv=125m/sb)等效塑性应变分布a)横向残余应力分布喷丸速度对残余应力场分布影响显著，速度提高，可明显提高残余压应力值，且残余压应力层深度增加。但弹丸速度并非越大越好，达到一定临界速度，喷丸强化效果反而减弱。喷丸工艺参数研究BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology弹丸直径影响a)横向残余应力分布00.511.522.5-2-1.5-1-0.500.5Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0R=0.4mmR=0.5mmR=0.6mm弹丸大小并非越大越好，应该控制喷丸大小。弹丸增大，残余压应力层深增加，但最大应力幅值变化小。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology入射角度影响a)横向残余应力分布00.511.522.5-2-1.5-1-0.500.5Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0Impactangle=45°Impactangle=60°Impactangle=75°Impactangle=90°为了得到最佳的喷丸效果，实际喷丸过程中尽量使弹丸垂直碰撞受喷表面。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology材料硬度影响a)横向残余应力分布00.511.522.5-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4Depth(mm)vonMisesstress(MPa)Initialyieldstress=369MPaInitialyieldstress=553MPaInitialyieldstress=738MPa残余应力较大地受初始屈服应力影响。硬度越高，材料越难以发生塑性变形，残余应力影响深度越浅。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology00.511.522.5-2-1.5-1-0.500.5Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0shot1shot2shot3shot5shot7单丸粒重复冲击同一位置单丸粒反复冲击同一位置，喷丸强化特征明显，残余压应力影响深度增加。随着喷丸次数增加，有利于提高材料的屈服强度。但残余应力幅值受冲击次数影响较小。a)横向残余应力分布多丸粒数值建模方法及冲击效应研究BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology多丸粒喷丸强化模型C喷丸强化模型简化及有限元模型BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology连续冲击影响Ca)横向残余应力分布00.511.5-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0FirstseriesSecondseriesThreeseries连续冲击引起材料应力的饱和，目标物体内残余应力分布没有明显变化，残余压应力影响深度增加，但残余应力幅值受冲击次数影响较小，且所获得的残余应力场分布极不均匀。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology仿真模型盲点区域第一组弹丸第二组弹丸第三组弹丸低于100%覆盖率的多丸粒仿真模型，每个冲击区域受到的作用可近似为单丸粒模型。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology二次冲击速度影响Ca)横向残余应力分布00.511.5-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2Depth(mm)Normalisedresidualstressσxx/σ0firstimpactsecondimpact35m/ssecondimpact45m/ssecondimpact55m/ssecondimpact75m/ssecondimpact100m/s后序冲击弹丸的速度对于前一冲击形成的残余应力场有较大的影响。特别是表层的残余应力随弹丸速度变化而变化。但对于浅表层残余应力场影响不大，最大应力幅值变化不大。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology弹丸搭接率的影响a)横向残余应力分布D有限元仿真模型00.511.522.5-700-600-500-400-300-200-1000100Depth(mm)Residualstress(MPa)Singleshotζ=0ζ=1/4ζ=1/2ζ=2/3ζ=3/4ζ=5/6ζ=1弹丸搭接率对于强化效应有明显影响,1/2是一个近似的临界值，搭接率越高，与弹丸重复冲击效果近似；搭接率越低，与弹丸分别独立冲击效果近似，作用面积大，但同时在弹丸交界处，会有弹丸冲击盲点区域。BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology高覆盖率喷丸强化模型偏置建模法BACD高覆盖率喷丸强化模型一方面反映出覆盖率的增加，也反映出受到的连续冲击作用，因此更适于描述喷丸强化