基于SPH法的喷丸残余应力及表面形貌数值仿真研究

发布时间：2017-04-30 04:10

  本文关键词：基于SPH法的喷丸残余应力及表面形貌数值仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：喷丸强化是一种广泛应用于工业领域的提高零件疲劳强度的表面强化工艺。该工艺机理复杂,影响因素众多,其残余应力的实验测量常使用X射线衍射法或盲孔法等,均涉及工件表面材料去除,使得实验研究成本高、效率低、操作复杂且不直观。而数值仿真可为喷丸强化过程提供一种经济、高效的研究之路。传统基于有限元法的仿真研究仅限于模拟单丸和少数丸粒的喷丸过程,且有限元法在处理切屑分离及大变形问题上具有局限性。因此,本文拟采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)耦合有限元法(finite element method, FEM)的新型数值建模方法,研究锐边弹丸对工件表面形貌的影响以及包含大量弹丸的喷丸强化过程,以期得到更加符合实际的仿真结果。 首先使用SPH法耦合FEM法建模,研究锐边弹丸在不同入射角和前倾角下撞击工件表面时,弹丸的翻转作用对工件表面形貌所产生的影响。结果表明,当前倾角较大时,弹丸趋于向前翻转,对工件表面形成碾压作用,并形成尖锐的弹坑,其切屑将堆积在弹坑前部边缘不与工件分离；而当前倾角较小时,弹丸则趋于向后翻转,对工件表面形成铲削作用,使切屑与工件分离,所形成的弹坑光滑而平缓。同时定量研究了不同入射条件对弹坑深度、切屑堆积高度的影响。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型及结果的正确性。 其次通过建立单丸和多丸粒的喷丸强化有限元模型,研究了多种因素对喷丸残余应力层的分布及表面形貌的影响。采用正交试验法,考察了喷丸速度、丸粒大小及搭接率对残余应力层深度的影响。根据仿真结果开展极差分析确定三因素的最佳参数组合；通过方差分析研究三因素对喷丸残余应力层的显著性影响。其研究结果将对喷丸强化工艺参数的合理选取起到一定的指导作用。 最后使用SPH法耦合FEM法研究了包含大量丸粒的宏观喷丸强化过程。其中工件使用FEM法建模,混合弹丸流使用SPH法建模,二者通过特定的接触算法实现耦合。文中探索了利用SPH法建立混合弹丸流模型的建模策略,采用半经验的方法推导了弹丸流的状态方程。研究了不同的喷丸速度、撞击次数及覆盖率等因索对喷丸表而残余压应力场的影响。
【关键词】：喷丸强化 残余压应力 表面形貌 转动效应 SPH耦合FEM
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG668
【目录】：

• 目录5-7
• CONTENTS7-9
• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 引言13
• 1.2 喷丸强化概述13-16
• 1.2.1 喷丸强化的基本原理13-14
• 1.2.2 喷丸设备及喷丸分类14-15
• 1.2.3 喷丸强化的影响因素15-16
• 1.3 喷丸强化的研究进展16-20
• 1.3.1 喷丸强化的解析模型及实验研究16-17
• 1.3.2 喷丸强化的数值模拟研究17-20
• 1.4 课题研究的意义20-21
• 1.5 课题研究的内容21-22
• 1.6 本章小结22-23
• 第2章 SPH及FEM理论23-33
• 2.1 SPH理论基础23-27
• 2.1.1 概述23-24
• 2.1.2 基本方程与基本概念24-26
• 2.1.3 边界处理26-27
• 2.2 FEM理论基础27-29
• 2.3 FEM耦合SPH29-30
• 2.4 LS-DYNA软件简介30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 锐边弹丸撞击对靶材表面形貌影响的仿真分析33-43
• 3.1 锐边弹丸撞击工件的前期研究33-34
• 3.2 基于SPH耦合FEM的锐边弹丸撞击工件仿真模型34-38
• 3.2.1 物理模型34
• 3.2.2 弹丸转动特性分析34-35
• 3.2.3 仿真模型35-37
• 3.2.4 本构方程37
• 3.2.5 失效准则37-38
• 3.3 仿真结果分析38-42
• 3.3.1 弹丸转动现象分析38-40
• 3.3.2 弹丸初始状态对工件表面影响40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 喷丸强化的有限元仿真研究43-59
• 4.1 喷丸强化有限元模型的建立43-44
• 4.1.1 有限元模型43-44
• 4.1.2 模型验证44
• 4.2 仿真结果分析44-52
• 4.2.1 速度与残余应力分布的关系44-46
• 4.2.2 重复撞击次数对喷丸强化效果的影响46-48
• 4.2.3 搭接率对喷丸强化效果的影响48-49
• 4.2.4 多丸粒分布对残余应力及表面形貌的影响49-52
• 4.3 喷丸强化工艺参数优化52-58
• 4.3.1 正交试验概述52
• 4.3.2 试验方案设计52-54
• 4.3.3 试验结果分析54-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 SPH耦合FEM的喷丸数值仿真研究59-69
• 5.1 SPH耦合FEM数值仿真模型的建立59-64
• 5.1.1 弹丸流的建模策略59-61
• 5.1.2 两类SPH粒子均匀混合模型61-62
• 5.1.3 气体状态方程62-63
• 5.1.4 丸粒状态方程63-64
• 5.1.5 SPH耦合FEM模型建立64
• 5.2 仿真结果分析64-67
• 5.2.1 粒子速度对残余应力的影响65
• 5.2.2 喷丸时间对残余应力的影响65-66
• 5.2.3 不同位置残余应力分布66-67
• 5.3 本章小结67-69
• 总结与展望69-73
• 总结69-70
• 展望70-73
• 参考文献73-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文79-81
• 致谢81-82
• 学位论文评阅及答辩情况表82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 张志春;强洪夫;高巍然;;SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用[J];固体力学学报;2011年03期

2 路会龙;姚平喜;刘海英;;基于ANSYS/LS-DYNA的受控喷丸工艺过程仿真[J];机械设计与制造;2009年02期

3 凌祥;彭薇薇;倪红芳;;喷丸三维残余应力场的有限元模拟[J];机械工程学报;2006年08期

4 李雁淮;王飞;吕坚;徐可为;;单丸粒喷丸模型和多丸粒喷丸模型的有限元模拟[J];西安交通大学学报;2007年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 冷飞;基于SPH方法的飞机油箱燃油晃荡研究[D];南京航空航天大学;2009年

2 徐文涛;火箭滑橇水刹车结构高速入水的动态分析[D];南京理工大学;2008年

3 卢希美;基于功能分析的液压往复密封增效技术研究[D];天津科技大学;2010年

  本文关键词：基于SPH法的喷丸残余应力及表面形貌数值仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：336204