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基于对称单元模型的喷丸残余应力仿真
摘要:对称单元模型被广泛应用于研究喷丸强化引起的残余应力。 然而，预测的残余应力与喷丸强化覆盖面，这是一个很大的挑战对称单元模型的研究人员仍然没有成立。基于动态应力和残余从对称单元模型输出的应力，评估与全覆盖相对应的残余应力通过正态分布分析。预测的节点相对于四个角点的动态应力表示即等轴双向应力状态只存在于弹丸撞击一次。 随着拍数的增加，多重冲击的相互作用会引起波动的节点动态应力几乎相同价值越来越明显。平均值和残余应力的标准偏差逐渐趋于平缓随着喷丸强化次数的增加而稳定系列。每个角点的平均值几乎都是第三次喷丸系列之后也是如此，这意味着一个平均双轴应力状态对应于全覆盖喷丸强化得以实现。因此平均值节点残余应力相对于特定的在喷丸表面下的横截面可以是用于通过X射线关联测量的数据。预测残余应力分布与实验结果一致在200％喷丸覆盖率下效果非常好。一个为节点提出了有效的相关方法对称单元模型预测残余应力和喷丸强化覆盖率。
关键词残 余应力 对称单元模型 等双轴应力状态 喷丸强化覆盖率 动态张力
- 介绍
喷丸是一种常见的工业冷加工工艺广泛应用于航空航天，汽车和动力新一代产业[1]。 在喷丸过程中，a大量的微小球面射击会影响组件被处理的表面。在冲击中一个由塑料区域包围的压痕之后形成弹性区域。射门从篮板中反弹后组件表面，弹性变形的意图恢复到完全卸载状态，但不可恢复塑料区域防止弹性恢复。 不均匀的弹塑性变形导致了这种发展处理后的残余压应力场表面和地下[2-5]。压缩残余应力场已经被证实是非常有效的增强关键承载的抗疲劳性组件[1,6,7]。
在过去的几十年里，研究喷丸强化过程很大程度上是基于实验性的工作，通常是昂贵的，繁琐且耗时的[8,9]。在近年来，有限元法已经越来越多更流行。数值模拟不仅便宜并且易于执行，但也可以提供一个洞察力冲击过程中的喷丸机理在组件表面拍摄[10-12]。AL-奥贝德[13-15]，谁是喷丸强化过程的数值模拟的先驱之一，开发了公式和三维动态有限元模型研究喷丸机理。随后，一个号码的单发冲击模型被开发出来进行调查喷丸参数对结果的影响残余应力。喷丸参数包括喷丸速度，射击大小，入射角度，目标材料性能等[10,16]。为了建模多个MEGUID等人[17]开发了一种对称性的影响其中四个镜头构成喷丸系列并依次撞击四个角落区域。需要执行几个喷丸系列模拟多重撞击。主要优点这个模型是它模拟多重射击的能力减少模型尺寸的影响。基于对称单元模型，喷丸残余应力分别为通过检查研究的影响系统地研究喷丸强度[17,18]，相邻之间的距离镜头[17,18]和影响顺序[19]。统一25次射击后可达到残余应力状态影响[20]。此外，KIM等人[21]应用了这种方法对称单元上面积平均解的概念模型来获得更现实的残差分布通过X射线测量应力。面积平均法是平均节点解决方案的具体横向截面下的喷丸表面对称单元模型。
喷丸强化覆盖率（定义为比率）被喷丸压痕覆盖的区域总数处理过的表面积[22,23]，是非常重要的用于表征喷丸过程的参数工程应用。 在实践中，残余应力通过喷丸强化达到均匀和在全覆盖下稳定状态[22]。 但是，它是在建模中很难考虑到实际的覆盖基于对称单元的笔划过程模型，因为多个镜头设置为撞击设计位置和大表面积不会受到影响[24]。 缺乏直接的术语关联模拟和实践之间一直是一个挑战用于喷丸模拟器。 残余应力对应的全覆盖范围将根据评估结果进行评估由对称单元预测的动态应力模型。
- 多弹丸冲击模型
在实际的喷丸过程中，大量的相同的镜头随机撞击目标表面对待。撞击角度彼此不同并且在零度和九十度之间的范围内。但是，如果不考虑撞击角度和随机性的影响，则可以假设所有镜头以对称布局撞击目标，逐行排列正常发病率[17,18]。基于这些先决条件，对称的单元对应中央喷丸开发区域以模拟喷丸过程包含多个镜头冲击以节省计算成本。
图1表示所提出的对称单元，其中a方形截面。方块长度L等于射击半径，单元高度等于4倍L [25,26]。 对称的边界条件是强加在对称单元的四个侧面上塑造一个无限的目标。 无限元素（CIN3D8 inabaqus / Explicit）按顺序添加到底部表面消除应力波的反射。 八节点线性减少积分和沙漏的砖元素控制（C3D8R in abaqus / Explicit）用于网格化目标。 在冲击地区最好的元素大小目标是5lm来模拟非常高的压力梯度和应变[27]。 四节点线性四面体元素（C3D4）被用来对这些镜头进行网格划分。为了创造平滑的接触表面，最好的元素大小射击是1流明。模拟镜头和镜头之间的联系目标，库仑摩擦系数假定为0.1[20]。
对称单元模型的顶面受到撞击通过以下布局多个相同的镜头。四分之一单杆射门被用来冲击四个角落顺时针逐一对称单元模型的区域。如图1所示，由N1，N2，N3和N4表示的四个角落区域依次受到撞击。连续四次冲击构成了一个喷丸系列。一些喷丸系列需要进行模拟多重冲击的影响。
表1.对称单元模型
球形镜头被模拟为刚体，由于与目标相比，具有非常大的刚性和硬度材料。射击半径R设定为0.35mm根据TORRES和VOORWALD [28]。 射击初始速度由...估算
其中p代表喷射压力（巴），m是喷丸质量流量（kg / min），R是射击半径（mm）[29]。 根据到给定的实验条件，拍摄的最初速度按公式计算为47.6 m / s。 1）[28]。该初始速度应用于参考点对应于球形射击的中心。
在拍摄的影响下，响应有效的塑料目标材料的应变率高于105 s？1，这是结果在显着的应变率硬化效应。Cowper-西蒙兹权力法[30]，其中考虑到了应变速率硬化的影响通过应变速率作为a基本变量，被用来计算动态流量目标的压力，即，
其中e_是有效的塑性应变率。三种材料AISI 4340钢的常数r0 = 1500 MPa，C =2？ 105 s？1和n = 3：3 [20]。 在有限元模拟中，目标和镜头都假设相同基本的机械性能，即弹性模量（210GPa），泊松比（0.3）和质量密度（7800 kg？m3）。
- 结果与讨论
强化覆盖率是以喷丸比例来衡量的表面总面积，以百分比表示。统计学只有目标达到100％的覆盖范围已经无限的时间了，因为还有更多和更多重叠的凹痕与增加喷丸时间，但凹痕的重叠不会对喷丸覆盖的贡献。它被普遍接受测得的98％喷丸覆盖率被认为是100％覆盖率并称为全覆盖，200％覆盖范围是通过敲击时间长度的两倍来实现的需要达到全面覆盖。在这个行业中，完整的覆盖率被认为是制服的必要条件压应力残余应力的稳定发展，这是多次撞击与相互作用的结果目标材料的硬化效应[17-22]。下列被用来调查互动和强化从两个方面对均匀应力状态产生影响动态应力的演化及其分布残余应力。数值预测的结果对称单元模型用于评估残余强调全面覆盖。
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- 动态应力的演变
多次撞击引起的动态应力是受对称电池的加载历史影响模型。 即使每个角落区域包含很多表面节点，只有位于角点的节点（图1中的N1，N2，N3和N4）。图图2（a） - （d）显示节点应力分量的演变过程关于四个角点。为了...的缘故简洁明了，代表与第i次击球相关的节点应力分量和由Nj表示的角点。
首先，动态压缩应力增加在射击造成的接触载荷下最大幅度最大影响。 然后，动态压缩应力衰减迅速与镜头反弹，并趋于接近最终稳定值。 在第一次击球的过程中，由于模拟单元的对称性。很明显，角点N1和N3处的节点应力表现出等轴双向应力状态。 但是，在这期间第二到第八枪的冲击过程，不是等轴双向的由于对称性，应力状态已经得到了破坏了时间相关动态的明显差异图2显示了不同角点的应力。
从第九次到第十二次击球（第三次喷丸系列），与之相关的平均动态应力四个角点几乎相同，如图3所示尽管存在明显的波动。的波动动态应力与多重相互作用有关射击的影响，因为相邻诱发的应力波拍摄的影响会对动态演变产生影响由目前的射击影响引起的压力。随着发球次数增加（喷丸系列次数），多次撞击的相互作用使得这种冲突成为可能应力波对动应力的影响越来越严重，因此，这个波动也越来越大动态应力变得越来越明显。在另一方面，日益增强的硬化效应使得动态应力的演化越来越趋于收敛随着喷丸系列的增加。因为残留应力是动态应力的稳定结果，可以预测残余应力变得更大和更小三次喷丸系列后更稳定，更均匀。
表2.四点相关力学性能
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- 残余应力的分布
动态应力稳定后，所示的合成残余应力分量rx和ry图4可以看出，rx和ry之后的分布第三喷丸系列近似对称。该不完全对称的原因主要是由于射击撞击序列的不对称造成的。 最大值压缩的残余应力在地下产生，最大拉伸残余应力超出了凹坑上喷丸系列中喷丸处理的表面。 最大压缩和拉伸残余应力随着温度的降低而降低喷丸系列的数量增加。
表3.第三次喷丸下的动态应力
表4.残余应力分布
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- 表面残余应力
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由于对称单元模型的四个角落区域反复敲击几个喷丸系列，这是调查稳定性和均匀性更合理的四个局部角落区域内的节点应力。该每个局部角落区域的形状都是1/4的圆形，中心在角点。圆的半径是相同的作为由单次冲击引起的凹坑的半径。
表面压缩残余应力在四个局部角落区域的喷丸表面下统计直方图显示不同的喷丸系列在图5中。基于统计直方图，法线分布函数被用来拟合和分析表面压缩残余应力。为了确保正态分布计算的有效性，参数估计在95％的置信水平和进行了所得平均值的假设检验分别为数据样本。随着喷丸系列的数量增加，平均表面压缩残余应力增加并呈现等轴性应力状态，标准偏差减小并趋于稳定。这是一个重要的特点喷丸覆盖率接近全覆盖范围。
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- 内部残余应力
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与横截面相关的深度残余应力在喷丸表面下方的特定深度处（包括四个地方角落地区）进行了分析正态分布函数。图6显示了平均值不同的深度残余应力值喷丸系列。最大压缩残余应力对于所有的喷丸系列产生在下面0.11毫米至0.15毫米范围内的地下喷丸表面。 随着数量的增加喷丸系列，最大压缩深度残余应力增加，但最大值不变压缩残余应力降低。 除此之外意味着深度残余应力呈现等轴双轴性压力状态。
表5.表面应力分布
表6.内部残余应力分布曲线
深度残余应力的标准偏差关于四个地方角落的横断面图7中显示了不同喷丸系列下的区域。标准偏差可以反映深度的一致性残余应力。标准的最大值在喷丸表面出现偏差，随着喷丸量的增加而减小喷丸系列的数量增加。增加的标准偏差出现在地下第一和第二喷丸系列，这是不同的第三次喷丸系列的收敛分布。该主要是残余应力的标准偏差归因于在有限元模拟中使用的刚性射击[19]。因此，稳定和均匀的双轴性通过替换刚性喷丸可预期第三喷丸系列之后的深度残余应力的应力状态与塑料镜头。
表7.不同喷丸情况下的内部残余应力标准偏差
重复引起的深度残余应力单射只影响一个角落区域和不同喷丸系列在图6中一起呈现调查相邻镜头撞击的相互作用。该深入的残余应力是由重复单一造成的击球效果是相对于横截面的平均值在特定深度的一个局部角落区域根据正态分布函数。的数量重复单次冲击对应的次数喷丸系列。单杆，两杆和三杆在图6中分别表示单发反复撞击相同的角落区域一次，两次次和三次。应该指出的是，没有相邻射击相互作用的影响重复单发冲击，但目标材料是随着数量的增加越来越硬化重复单发冲击。深刻的差异显而易见残余应力是由第一批喷丸系列产生的并且可以找到单击的影响。很明显，差异与相邻的相互作用有关拍摄的影响。随着数量的增加喷丸系列，深度残差的差异两种喷丸箱之间的应力变成了越来越小，这表明了影响相邻镜头的相互作用会影响分布的深度残余应力逐渐减小。后三个喷丸系列，深度残差的差异两种喷丸箱之间的应力几乎消失，这意味着相邻的相互作用拍摄的影响对分布的影响很小深度残余应力。
另一方面，深度残余应力也是与目标材料的塑性变形有关。该可以表示由击球引起的塑性变形受有效塑性应变。图8显示了平均值通过反复单一诱导深入有效的塑性应变击球效果和不同的喷丸系列。意思是深奥通过相同的方法获得有效的塑性应变方法作为平均深度残余应力。最大值有效塑性应变在地下0.05mm以下的喷丸表面，然后有效塑性应变随着深度的增加而减小。参照图6和图8，可以看出，最大有效塑性应变的位置更多比最大位置靠近喷丸表面所有喷丸处理的残余应力。随着喷丸系列的数量增加，平均有效塑性应变随着增量的增加而增加，这意味着塑性变形变得更大并且由于循环硬化而更难以发生目标材料的影响。
表8.重复单喷丸和不同喷丸下的内部塑性应力
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- 实验结果对照
经过三次喷丸系列后，由于强劲多次撞击和硬化的相互作用目标材料在喷丸过程中的作用平均残余应力在喷丸区域内对称单元逐渐收敛到近似均匀的双轴应力状态。 这是一致的与实际喷丸结果的结果在全面覆盖下[22]。 因此，这是合理的认为与第三个相关的残余压力喷丸系列对应全覆盖。
图9显示了预测的深度残余应力来自第三次喷丸系列（全面覆盖）和第六次喷丸系列（200％覆盖率）。实验低于200％的数据将一起显示数值结果见图9 [28]。一般来说，通过X射线测量的残余应力是面积平均的值取决于X射线斑点的形状和大小与节点平均法[21]得到的平均应力相同。很明显，预测的表面压缩残余应力和压缩深度残余应力与实验结果非常吻合数据，但预测的最大压缩残余应力比相应的要大得多实验数据。由于有限的僵硬镜头使用元素模拟高估了冲击能量，塑料镜头与机械性能相同目标材料也是为了比较的目的而建模的。可以看出，预测的最大压缩残余应
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