基于光滑粒子流体动力学（SPH）法的喷丸强化数值模拟研究

论文摘要

喷丸强化是一种提高工件疲劳寿命的表面强化工艺。通过弹丸高速撞击金属表面,在表面形成均匀的残余压应力层,抵消工件表面承受的破坏性拉应力,减缓裂纹的扩展速度,延长零件疲劳寿命。然而喷丸表面强化过程机理复杂,各工艺参数选择和搭配对喷丸效果的影响很大,且难以用精确的数学模型描述。目前国内外的研究大多集中于实验领域,数值模拟多采用有限元法(Finite Element Method,简称FEM)模拟单个弹丸或者几个弹丸对工件的冲击作用,不能反映实际喷丸时大量弹丸重复打击工件和弹丸间相互作用的影响。为克服有限元法在喷丸强化仿真模拟中的缺陷,本文首次采用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,简称SPH)耦合有限元法(FEM)模拟喷丸强化过程,并对此方法做了系统的研究,通过仿真结果与实验数据的对比分析,验证了仿真模型及结果的正确性,为喷丸强化的仿真研究和工艺参数优化设计提供了强有力的工具。SPH算法是无网格算法的一种,因其自身公式构造不会受粒子分布的随意性的影响,具有良好的自适应性,又因为其典型的Lagrange性,方便追踪其粒子运动轨迹,使得SPH粒子更具灵活性。现已广泛应用于具有大变形的流体动力学问题。SPH耦合FEM建模,其中金属工件采用Lagrange网格建模；弹丸采用SPH粒子建模,通过状态方程考虑了空气和弹丸的混合作用,提出了弹丸流空气混合材料模型。SPH和FEM的耦合作用通过接触算法实现,以模拟弹丸对工件的冲击强化过程。通过仿真结果与实验结果的对比,分别分析了弹丸大小、弹丸打击次数、覆盖率、弹丸速度等参数对金属工件残余压应力分布的影响,并从能量角度,讨论了初始速度与能量利用率的关系。揭示了喷丸强化各工艺参数对喷丸效果的影响,并总结规律取得了一系列的研究成果。为进一步研究喷丸强化机理,本文还从微观针对单个弹丸打击状况进行了建模仿真。通过对打击次数、弹丸大小、打击速度等相关参数的实验与仿真对比,再一次验证了耦合建模所得参数影响规律的正确性,并对所得喷丸强化规律做出补充,从而对喷丸强化作用机理有了更深刻的理解。本文通过对喷丸强化整体过程及单个弹丸冲击的微观过程的模拟仿真分析,深入探讨了喷丸强化各工艺参数对工件表面残余压应力分布的影响,并通过实验对比验证了模型的正确性,所得规律为优化工艺参数提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 喷丸强化概述
• 1.1.1 喷丸强化发展背景及应用
• 1.1.2 喷丸强化原理
• 1.1.3 喷丸设备及参数
• 1.2 国内外喷丸强化数值模拟现状
• 1.3 课题的研究意义和内容
• 第2章 有限元及SPH理论
• 2.1 基于网格的有限元理论
• 2.2 SPH论
• 2.2.1 SPH方法的发展背景及应用
• 2.2.2 SPH方法的基本理论
• 2.3 SPH与FEM耦合
• 2.4 ANSYS/LS-Dyna软件介绍
• 2.5 本章小结
• 第3章 SPH耦合FEM法数值仿真模型
• 3.1 金属工件材料的本构方程
• 3.2 喷丸材料模式
• 3.3 模型描述
• 3.4 本章小结
• 第4章 工艺参数对强化效果影响分析
• 4.1 打击次数与残余压应力分布关系
• 4.2 覆盖率与残余压应力分布关系
• 4.3 打击速度与残余压应力分布关系
• 4.4 打击速度与能量利用率的关系
• 4.5 本章小结
• 第5章 单丸粒FEM法数值仿真模型及结果分析
• 5.1 仿真模型建模
• 5.2 数值结果分析
• 5.2.1 弹丸塑性对残余压应力分布的影响
• 5.2.2 弹丸速度对残余压应力分布的影响
• 5.2.3 弹丸大小对残余压应力分布的影响
• 5.2.4 撞击次数对残余压应力分布的影响
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表