论文摘要
本课题从车体钢结构亟需提高其使用寿命的实际需求出发,运用计算机仿真技术对车体钢结构进行喷丸强化过程的运动仿真,通过喷丸工艺引起的应力、应变场进行数值模拟,运用有限单元法对弹丸撞击后钢板材料表面应力、应变的分布进行了数值计算和统计分析。研究了喷射速度、喷射角度和弹丸直径与残余应力、应变的关系,选择几组典型参数比较,分析不同情况下喷丸对局部变形的影响,进而对车体钢结构喷丸强化工艺参数进行了优化选择。对得到的优化参数进行试验研究,主要研究喷射速度和角度对钢结构表面强化效果的影响规律。首先建立了有限元模型,设定喷射速度分别为40m/s、60m/s、80m/s、100m/s,喷射角度分别为45°、60°、75°、90°,弹丸直径分别为φ0.8mm、φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.6mm、φ2.0mm的情况下,进行单粒弹丸冲击同一目标钢板的喷丸强化过程仿真分析。分析结果表明目标钢板受到弹丸反复冲击时应力和应变的变化规律是:喷射速度和弹丸直径对应力、应变影响很大,而喷射角度主要影响应变。通过对弹丸直径、喷射速度、喷射角度工艺参数优化,得出:对于弹丸直径为φ1.0mm,喷射角度为90°,选60～80m/s的速度可以获得较好的综合效果;对于喷射速度为80m/s,弹丸直径为1.0mm,喷射角度为60°较合适;喷射速度为80m/s,喷射角度为90°,弹丸直径应取φ1.0～φ1.2mm。对所确定的优化工艺参数进行了试验研究,主要分析了强化钢板表面宏观粗糙度和硬度的变化规律,从中得出:在其它工艺参数相同时,弹丸速度越大,表面粗糙度Ra升高越大;喷射角度越大,表面粗糙度越大。速度为60m/s时表面硬度提高24.1%;速度为80m/s时,表面硬度提高38.6%;而在其它工艺参数相同时,喷射角度对硬度的影响基本一致,角度为60°时表面硬度提高24.1%;角度为90°时表面硬度提高27.6%。速度一定时,喷射角度为60°比90°。能更好地改善钢板表面质量。角度一定时,仅仅考虑速度对钢板表面粗糙度的影响,60m/s的速度更合适。这一结论与模拟计算得出的优化参数是一致的。本课题的结果和研究方法应用于铁道车辆的生产与制造,将有助于材料表面处理时选择恰当的工艺参数,对提高车体钢结构表面质量,延长车辆使用寿命有重要的现实意义。