基于SPH结合FEM的喷丸残余应力数值模拟

针对以往有限元模型中弹丸数量较少且为规则阵列排布的缺陷,采用光滑粒子流体动力学法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)与有限元法(Finite element method,FEM)相结合的方法,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,研究了喷射角度、弹丸流量对残余应力场的影响。结果表明:在喷丸参数一定的条件下,存在相应的饱和喷丸时间;研究喷丸参数对残余应力的影响时,应在喷丸达到饱和时间之后提取残余应力值;喷射角度增大,残余压应力增大;开始时弹丸流量增大,残余压应力会有所增大,但当其达到饱和值后,残余压应力不再变化。     

喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命的影响

为了研究喷丸表面处理对试样疲劳寿命的影响,基于ABAQUS软件建立含喷丸残余应力场的四点弯曲试样有限元模型和考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展疲劳寿命预测模型。基于该模型研究了不同应力比及不同喷丸工艺条件下的受喷与未喷试样的裂纹扩展疲劳寿命。结果表明,正应力比越大越不容易产生裂纹闭合从而寿命越短,不同应力比条件下喷丸试样的疲劳寿命均约为相同条件下未喷丸试样的2.5倍;单独喷丸强化对裂纹扩展疲劳寿命的提高作用高于喷丸成形与强化的联合作用。主要是由于喷丸强化产生的残余压应力在距离表层较近的范围大于成形与强化联合作用所产生的残余压应力,且该残余压应力对裂纹扩展疲劳寿命的提高起主导作用。通过预测结果与文献实验结果的对比,验证了本文所建模型的正确性及有效性。     

喷丸残余应力对裂纹闭合效应影响的数值仿真

基于裂纹闭合效应,利用ABAQUS软件建立用于预测残余应力场中疲劳裂纹扩展特性的弹塑性有限元模型。考虑塑性和残余应力场对裂纹闭合的作用,分析残余应力、应力比和裂尖单元尺寸对裂纹闭合效应的影响。研究结果表明:未喷丸试样的裂纹闭合类型为塑性诱导裂纹闭合,喷丸残余应力场中的裂纹闭合为塑性和残余压应力共同作用,且裂纹张开力的大小与残余应力的分布相对应;正应力比越大,裂纹闭合效应越不明显,疲劳裂纹扩展速率越快;裂尖单元尺寸小于塑性区范围时可以真实反映裂尖的闭合状态;喷丸残余压应力通过提高裂纹闭合力,增强裂纹闭合效应,抑制疲劳裂纹扩展。     

喷丸表面粗糙度对疲劳寿命影响研究

为研究喷丸处理对铝合金表面粗糙度及其抗疲劳性能的影响,文章提出一种采用数值模拟计算表面粗糙度的方法。首先利用ABAQUS有限元软件建立多丸粒喷丸强化数值模型,将得到的残余应力结果与文献实验结果进行对比以验证该模型的准确性。然后选用轮廓最大高度Rz作为表面粗糙度参数,设计正交试验研究弹丸尺寸、冲击角度、冲击速度和弹丸数量对工件表面粗糙度的影响程度,进而分析喷丸表面粗糙度对应力集中系数和疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:四因素对Rz的影响程度依次为:弹丸直径冲击角度冲击速度弹丸数量。疲劳裂纹萌生寿命受表面粗糙度的影响,但两者间并非一一对应关系。应力集中系数由工件表面粗糙度和弹坑底部曲率半径共同影响,且两者呈反比关系,即应力集中系数越大,疲劳裂纹萌生寿命越短。