基于有限元分析的喷丸式内孔强化设备研究

摘要

随着我国石油工业的发展，无磁钻铤国产化已成为石油钻井生产中亟待解决的问题。无磁钻铤要求钢材除了无磁性之外，必须具有较高的强度、韧性和耐腐蚀性能。采用喷丸强化技术能够提高应力集中部位的疲劳强度，从而提高了机器零部件的可靠性与使用寿命。
　　本文主要根据无磁钻铤生产需求，研制了用以实现钻铤内孔表面强化的喷丸式内孔强化设备。该设备适用于加工多品种、大批量的钻铤系列产品，操作简单易学，有效的降低了生产成本，提高企业的市场竞争力。本文详细介绍了喷丸式内孔强化设备的功能原理及结构模块，建立了喷丸式内孔强化设备的三维模型；利用ANSYS有限元分析软件对喷丸管进行了分析研究，提出了优化改进方案；并对喷嘴的结构进行了优化改进。
　　对喷丸工艺参数进行合理的选择,能够获得无磁钻铤内孔的最佳喷丸强化效果。目前主要是通过试验手段来获得合理的喷丸工艺参数，不仅试验周期长，同时增加了研究成本。本文在现实条件的基础上，对设备的喷丸工艺参数进行了数值模拟，对各影响因素做了初步研究。
　　本文建立了喷丸的均质有限元模型，利用ANSYS/LS-DYNA显式动力分析程序对喷丸强化过程进行了数值模拟，对喷丸工艺中的各项参数进行了分析，完成了对喷丸后材料表层形成的残余应力的分析并绘制了残余应力随层深分布的曲线。分析结果显示，喷丸覆盖率、喷丸速度、弹丸种类及直径大小等都对喷丸残余应力场有着不同程度的影响。将本文研究的喷丸工艺参数结果与实际结合，能够为今后设备喷丸试验提供合理的喷丸工艺参数选择依据，有效的缩短了设备研究周期，同时降低了设备的研究成本。

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1 绪 论

1.1 课题研究的背景

1.2 喷丸强化技术概述

1.3 有限元分析法及软件的应用与发展

1.4 本课题的研究意义和内容

2 喷丸式内孔强化设备的研究

2.1 常用的几种表面强化技术

2.2 喷丸强化用设备及弹丸

2.3 喷丸式内孔强化设备功能原理方案

2.4 喷丸式内孔强化设备主要结构模块及结构仿真

2.5 喷丸式内孔强化设备的主要功能模块

2.6 本章小结

3 喷丸式内孔强化设备的结构优化设计

3.1 内孔强化设备的相关技术参数

3.2 喷丸管的结构静力分析

3.3 喷嘴的结构优化设计

3.4 本章小结

4 钻铤内孔喷丸强化过程的有限元分析

4.1 ANSYS以及ANSYS/LS-DYNA简介

4.2 喷丸强化工艺及其影响因素

4.3 喷丸表面的塑性变形和残余应力

4.4 喷丸强化过程的数值模拟

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢