超声冲击处理动态过程及其影响因素数值分析

摘要

超声冲击处理使表面产生塑性变形并在表面引入压应力，是一种能显著提高焊接结构疲劳性能的表面强化方法本课题基于有限元法，利用LS-DYNA软件模拟了超声冲击处理的动态过程及其产生的残余应力；采用X射线衍射法测试了Q345D钢试样超声冲击处理前后一定深度内的应力变化，验证了超声冲击处理计算模型和结果的正确性；在此基础上，基于数值计算研究超声冲击处理调控应力的影响因素。 X射线衍射法测试结果表明：热处理后试件呈现无应力状态，经超声冲击处理后，试件沿厚度方向的横向和纵向压缩应力基本一致；在无初始应力和小幅值初始应力情况下，超声冲击处理造成的压缩应力深度达到2mm以上，峰值压缩应力幅值可达到材料的拉伸屈服强度。 建立了单针冲击模型并结合显式动力学有限元法模拟了试验的4针超声冲击处理Q345D钢试件的动态过程，数值模拟和试验测试超声冲击处理后应力结果发现：数值计算和试验测试的横向压缩应力和纵向压缩应力峰值均出现在距离表面0.5mm处，且大小相近，表明使用单针冲击模型可以较准确计算超声冲击处理的应力状态。 在验证模型基础上，采用有限元方法研究了冲击时试件温度、材料强度、冲击间距、冲击速度和冲击针尺寸对超声冲击处理后应力的影响。结果表明：随着温度的升高及材料的屈服强度降低，超声冲击在试件一定深度内造成的压缩应力区域减小、峰值压缩应力降低；当超声冲击处理参数一定时，材料强度越高超声冲击处理的影响范围越小；单点超声冲击处理的影响范围有限，冲击间距过大过小均对第一次冲击无影响；超声冲击处理的效果随冲击速度的增大而增强；随着超声冲击针尺寸的增大，超声冲击处理在试件一定深度内造成的残余应力范围也越大，残余压缩应力的集中区域也越大。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 焊接残余应力调控方法

1.3 国内外超声冲击处理数值研究

1.4 本文的研究内容

1.5 技术路线

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 焊接方法和焊接参数

2.3 超声冲击设备

2.4 动态频率测试仪

2.5 测试方法和设备

2.5.1 小孔法

2.5.2 X射线衍射法

2.6 数值计算

第3章 超声冲击处理试验及应力测试

3.1 引言

3.2 试验对象

3.3 无应力样的制备

3.4 超声冲击处理

3.4.1 超声冲击原理

3.4.2 超声冲击处理工艺规范

3.4.3 超声冲击处理参数优化

3.4.4 无应力样的超声冲击处理

3.5 应力测试

3.5.1 X射线衍射法(XRD法)测试原理及过程

3.5.2 深抛处理

3.6 X射线衍射法(XRD法)测试结果

3.6.1 小试件件热处理后测试结果

3.6.2 小试件超声冲击处理后的应力测试结果

3.6.3 Q345D试板热处理后的应力测试

3.6.4 热处理Q345D试板超声冲击处理后的应力测试

3.7 本章小结

第4章 超声冲击处理数值计算模型与冲击动态过程分析

4.1 引言

4.2 有限元软件介绍

4.3 有限元分析过程

4.4 超声冲击处理数值计算模型

4.4.1 定点单次冲击几何模型

4.4.2 材料性能

4.4.3 超声冲击处理的频率测试

4.4.4 冲针速度的设定

4.4.5 接触设置

4.4.6 约束条件

4.4.7 网格划分

4.4.8 分析步设定

4.4.9 提交计算

4.4.10 定点多次冲击计算模型

4.4.11 数值计算过程的关键代码

4.5 数值计算模型的验证

4.5.1 数值计算单点多次冲击后表面的塑性变形

4.5.2 验证方案

4.5.3 数值计算结果与验证

4.5.4 单点多次冲击计算结果的验证

4.6 数值计算超声冲击处理的动态过程分析

4.6.1 单点单次超声冲击动态过程

4.6.2 单点多次冲击动态分析

4.6.3 偏移冲击动态分析

4.7 本章小节

第5章 超声冲击处理影响因素数值分析

5.1 引言

5.2 温度的影响

5.3 材料强度等级的影响

5.4 冲击间距的影响

5.5 冲击速度的影响

5.6 冲针尺寸的影响

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢