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噴丸強(qiáng)化是一種能提高工件表面疲勞壽命的工藝。它通過(guò)大量彈丸介質(zhì)以高速反復(fù)撞擊工件表面，在工件表面形成均勻殘余壓應(yīng)力層。該殘余壓應(yīng)力層可抵消工件表面的拉應(yīng)力，從而有效阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展，顯著提高工件疲勞壽命，被廣泛應(yīng)用于航空、軍工、汽車(chē)等領(lǐng)域。因?qū)嶒?yàn)方法耗時(shí)耗力，且所用的阿爾門(mén)試片不能精確反應(yīng)殘余壓應(yīng)力的大小和分布。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)許多基于有限元法研究噴丸殘余應(yīng)力的數(shù)值模型。通過(guò)建立單丸粒對(duì)稱(chēng)模型，對(duì)塑性變形工件進(jìn)行了仿真通過(guò)建立單丸粒動(dòng)力學(xué)模型，研究了彈丸和靶材尺寸對(duì)塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力的影響，利用多丸粒對(duì)稱(chēng)模型對(duì)噴丸強(qiáng)化過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。凌祥等建立了模擬噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元模型。路會(huì)龍等分別建立單、多丸撞擊模型，指出彈丸撞擊速度存在最優(yōu)值。張洪偉等利用有限元軟件分別建立單、多丸對(duì)稱(chēng)胞元模型，利用單丸模型研究彈丸速度、直徑、入射角，摩擦系數(shù)和重復(fù)撞擊次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力及塑性應(yīng)變的影響，通過(guò)分別取個(gè)彈丸建立對(duì)稱(chēng)胞元模型，分析不同覆蓋率對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。上述有限元模型僅涉及單丸或數(shù)量有限的多丸，屬微觀模型，與采用大量彈丸反復(fù)撞擊工件表面的實(shí)際噴丸過(guò)程存在明顯差異。
采用耦合方法針對(duì)高強(qiáng)度鋁合通過(guò)顯式動(dòng)力分析軟件，進(jìn)行了大量彈丸反復(fù)撞擊工件表面的噴丸強(qiáng)化過(guò)程數(shù)值模擬，基于兩類(lèi)不同材料屬性的粒子模擬彈丸流，研究了彈丸速度、噴丸時(shí)間等對(duì)噴丸殘余應(yīng)力的影響以及工件表面各典型位置處殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，數(shù)值模型的建立兩類(lèi)，粒子均勻混合模型。采用兩種粒子分別表示空氣和離散彈丸，其中，空氣對(duì)應(yīng)的粒子采用常規(guī)氣體狀態(tài)方程，彈丸對(duì)應(yīng)的粒子采用離散固體的狀態(tài)方程。兩類(lèi)粒子間的相互作用通過(guò)形函數(shù)的特殊定義實(shí)現(xiàn)，即在表示粒子形函數(shù)的相鄰粒子支持域中可包含兩類(lèi)不同性質(zhì)的粒子。
針對(duì)有限元法難以模擬大量彈丸群集撞擊的噴丸過(guò)程，采用耦合法進(jìn)行了噴丸過(guò)程數(shù)值建模與分析。仿真結(jié)果如下：
(1) 最大殘余壓應(yīng)力值及所在次表層深度均隨彈丸速度的增加而增加。故應(yīng)根據(jù)最大殘余壓應(yīng)力及應(yīng)力層的深度要求合理選擇噴丸速度。
(2) 開(kāi)始時(shí)，隨著噴丸時(shí)間的增加，最大殘余應(yīng)力值增大，達(dá)到一定時(shí)間后，繼續(xù)增加噴丸時(shí)間，殘余應(yīng)力變化甚微，最大殘余壓應(yīng)力的變化幅度小于，達(dá)到噴丸飽和狀態(tài)。
(3) 彈坑中心點(diǎn)處最大殘余壓應(yīng)力值較高且位于次表層，兩坑交匯處的最大殘余壓應(yīng)力值較中心點(diǎn)低且其次表層深度較淺，未受撞擊點(diǎn)處的最大殘余壓應(yīng)力發(fā)生在表面上。
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