前混合水射流喷丸强化数值模拟与试验研究

论文摘要

本文以前混合水射流喷丸强化技术机理的研究为出发点,结合ansys和水射流喷丸强化试验,对前混合水射流喷丸强化技术进行了研究,具体研究内容有:1.根据流体力学和两相流动理论,对前混合水射流喷丸强化中弹丸所受的作用力进行了分析;对虚拟质量力FX、Basset力FB、Magnus力FM和Saffman力FSM分别与阻力FS进行了比较;比较结果得知:弹丸的惯性力、重力、压差力和Stokes力对弹丸运动影响较大;2.对弹丸粒子在高压管路、喷嘴收敛段、圆柱段及射出喷嘴到达强化材料表面之前的运动进行了分析,得出了弹丸运动大致分为五个阶段(高压管路中的加速、喷嘴收敛段的加速、喷嘴圆柱端的加速、射流初始段的加速及射流基本段的减速)的结论;3.通过喷嘴处水速与喷射压力的关系,利用Newton差值法,建立了喷射压力与出口弹丸速度的差值函数,并得出出口速度随喷射压力的增大而增大的结论;4.通过理论分析得出了喷丸残余应力、喷丸压痕深度的理论计算公式,并计算出使材料产生塑性变形时的临界弹丸速度和喷射压力,计算值分别是16.641m/s和0.33Mpa;5.通过ansys有限元软件模拟和试验研究,对前混合水射流喷丸强化后零件的里氏硬度、表面形貌及宏观残余应力进行了研究。研究表明:前混合水射流喷丸强化后,零件产生了残余压应力;零件裂纹扩展受到了抑制;强化前后材料的表面粗糙度值变化不大;喷丸处理后的材料与未喷丸材料相比,里氏硬度提高达30%左右。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 论文的创新
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 高压水射流技术的发展
• 1.5 磨料水射流喷丸强化技术
• 1.5.1 磨料水射流喷丸强化技术的机理
• 1.5.2 磨料水射流喷丸强化系统
• 1.5.3 磨料水射流喷丸强化技术的分类
• 1.5.4 磨料供给系统
• 1.6 本章小结
• 2 喷丸强化技术
• 2.1 喷丸强化的原理
• 2.2 喷丸强化效果和质量的表征指标
• 2.2.1 喷丸强度
• 2.2.2 喷丸覆盖率
• 2.2.3 喷丸残余应力
• 2.2.4 表面粗糙度
• 2.3 喷丸设备的选用
• 2.3.1 气动式喷丸机
• 2.3.2 抛丸机
• 2.4 喷丸工艺参数的选择
• 2.5 新型的喷丸强化技术
• 2.5.1 微粒冲击喷丸强化技术
• 2.5.2 激光喷丸强化技术
• 2.5.3 超声／高能喷丸强化技术
• 2.5.4 高压水射流喷丸强化技术
• 2.6 本章小结
• 3 前混合水射流喷丸强化的理论分析
• 3.1 前混合水射流喷丸弹丸的受力分析与比较
• 3.1.1 弹丸的受力分析
• 3.1.2 弹丸受力的比较
• 3.2 混合射流在高压管内的运动
• 3.2.1 弹丸粒子在高压管内的轴向运动
• 3.2.2 弹丸粒子纵向运动分析
• 3.3 弹丸粒子在喷嘴内的运动分析
• 3.4 弹丸粒子的加速过程
• 3.5 喷嘴参数的选择
• 3.5.1 喷嘴的收敛角
• 3.5.2 喷嘴收敛段的长度
• 3.5.3 喷嘴圆柱度的确定
• 3.6 前混合磨料水射流喷丸强化技术的工艺参数及计算
• 3.6.1 水射流压力和出口水射流、弹丸速度的关系
• 3.6.2 高压水射流喷丸强化塑性压入卸载后残余应力的分析
• 3.6.3 临界喷丸速度、水射流的临界喷射压力及喷丸深度的确定
• 3.7 本章小结
• 4 前混合水射流喷丸强化残余应力场数值模拟与分析
• 4.1 模型的建立、加载及结果显示
• 4.1.1 三维建模
• 4.1.2 单元类型和材料性质定义
• 4.1.3 网格划分
• 4.1.4 定义接触对
• 4.1.5 施加载荷及约束
• 4.1.6 模拟结果显示
• 4.2 不同喷丸压力下的残余应力场
• 4.2.1 不同喷射压力下的残余应力场
• 4.2.2 不同弹丸直径下的残余应力场
• 4.2.3 不同弹性模量的残余应力场
• 4.2.4 不同材料的残余应力场
• 4.3 本章小结
• 5 前混合水射流喷丸强化技术的试验研究
• 5.1 试验材料及注意事项
• 5.2 喷丸试验方法
• 5.3 测量方法
• 5.3.1 里氏硬度的测量
• 5.3.2 表面形貌观察
• 5.3.3 残余应力的测量
• 5.4 材料喷丸试验结果及分析
• 5.4.1 里氏硬度测量结果及分析
• 5.4.2 材料表面形貌的观察
• 5.4.3 残余应力场测量结果及分析
• 5.5 模拟结果与试验结果的比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集