前混合水射流喷丸强化喷嘴结构及残余应力场的研究

摘要

前混合水射流喷丸强化技术是提高金属零件抗疲劳性能的一种重要方法,其喷嘴结构对喷丸强化具有至关重要的作用。
　　 本文应用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了前混合水射流喷丸喷嘴内部湍流流动及弹丸冲击金属材料表面产生应力和应变的变化规律,其结论对深入研究前混合水射流喷丸强化规律具有重要的理论意义和实践意义。
　　 从金属材料疲劳破坏的特征出发,介绍了金属材料疲劳裂纹萌生和扩展机理,由金属材料喷丸后残余应力的形成、表面组织结构和表面粗糙度的变化出发,研究喷丸强化对金属材料抗疲劳性能的影响。
　　 应用FLUENT软件对前混合水射流圆锥收敛型喷丸喷嘴内流进行了数值模拟,得到喷嘴内连续相的轴向速度和静压强具有显著的轴对称性,且轴心处数值最大,喷嘴最佳出口圆柱段长度为30mm,最佳圆锥收敛角为13°;出口带扩散段的喷嘴使得连续相和离散相的速度都会降低,但会增大喷丸的覆盖率。
　　 应用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了相同直径的弹丸以不同速度冲击45钢靶体的过程,指出不同速度的弹丸冲击靶体产生的最大残余压应力大小、出现的位置以及残余应力层的深度;同时说明弹丸冲击靶体产生的应变、各节点位移、凹坑深度与速度的关系。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的、意义

1.2 国内外水射流技术研究现状

1.2.1 国内外水射流喷丸强化技术研究现状

1.2.2 国内外水射流喷嘴流场研究现状

1.2.3 国内外喷丸强化残余应力场研究现状

1.3 研究内容

第2章 喷丸强化机理

2.1 金属的疲劳破坏

2.1.1 疲劳破坏的特征

2.1.2 疲劳裂纹的萌生

2.1.3 疲劳裂纹的扩展

2.2 金属的喷丸强化

2.3 喷丸对疲劳性能的影响

2.3.1 残余应力对疲劳性能的影响

2.3.2 组织结构对疲劳性能的影响

2.3.3 表面粗糙度对疲劳性能的影响

2.4 本章小结

第3章 喷丸喷嘴内流的数值模拟

3.1 软件简介

3.2 流体控制方程

3.3 控制方程时均化

3.4 湍流模型

3.5 弹丸控制方程

3.5.1 弹丸受力分析

3.5.2 弹丸的运动方程

3.6 数值模拟

3.6.1 计算方法及边界条件

3.6.2 喷嘴出口圆柱段长度的影响

3.6.3 喷嘴圆锥收敛角的影响

3.6.4 喷嘴扩散段的影响

3.7 本章小结

第4章 喷丸残余应力场的数值模拟

4.1 LS-DYNA软件简介

4.2 弹丸冲击靶体的控制方程与运动方程

4.2.1 控制方程

4.2.2 运动方程

4.3 基本模型及计算方法

4.3.1 有限元模型

4.3.2 材料模型

4.3.3 定义载荷与边界条件

4.3.4 接触模型与计算方法

4.4 模拟结果及分析

4.4.1 弹丸单一速度模拟

4.4.2 弹丸速度影响模拟

4.5 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献

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