不同强度钢喷丸残余应力的有限元模拟

摘要

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立了低强度钢、中强度钢、高强度钢、超高强度钢等四种不同强度钢的喷丸模型，研究了不同的喷丸参数，例如弹丸强度、弹丸半径和弹丸速度对喷丸之后材料残余应力场的影响，得到了符合实际的结果以及残余应力随层深的分布曲线，并对这四种不同强度的钢作了相关的喷丸试验以及残余应力测试实验。
　　通过喷丸模拟发现，对这四种不同强度的钢进行喷丸，在弹丸材料确定的情况下，增大弹丸速度或者增大弹丸半径时，材料的表面残余应力和最大残余应力都表现出波动性变化，两者的变化步调和变化趋势基本保持一致，并且在最大残余应力的变化曲线上会出现一个极值，与实际喷丸中残余应力随喷丸强度的增大会达到一个强化极限值相一致，由这一极值可以确定对材料进行喷丸时的最佳弹丸速度和最佳弹丸半径。
　　通过模拟利用不同强度的弹丸对这四种钢进行喷丸，研究其喷丸之后的残余应力场，发现弹丸强度增大时，残余应力层深的变化并不明显，对于低强度钢，提高弹丸强度能明显的增大喷丸之后材料的表面残余应力和最大残余应力；而对于中强度钢、高强度钢和超高强度钢，弹丸强度对其喷丸残余应力的影响比较小。
　　通过模拟利用半径不同的弹丸对这四种不同强度的钢进行喷丸，研究其喷丸残余应力场，发现弹丸半径对残余应力层深的影响较大，弹丸半径增大时残余应力层深近似线性增大，即残余应力层深和弹丸半径具有近似的线性相关性，模拟还发现如果残余应力随半径的变化曲线上出现残余应力急剧变小的拐点时，残余应力层深曲线上也会相应的出现拐点，残余应力会稍微减小。
　　通过模拟利用速度不同的弹丸对这四种不同强度的钢进行喷丸，发现对于屈服强度较小的低强度钢，弹丸速度对其喷丸残余应力层深的影响比较小；而对于屈服强度较高的中强度钢、高强度钢和超高强度钢，弹丸速度增大时，残余应力层表现出波动增大的趋势，如果在残余应力随速度的变化曲线上出现残余应力急剧减小的转折点时，残余应力层深的增大会变得平缓或者稍微减小。
　　综合考虑弹丸强度、弹丸半径和弹丸速度对这四种不同强度的钢的喷丸残余应力场的影响，发现弹丸能量相同时，即弹丸半径和弹丸速度保持不变，只改变弹丸强度时，残余应力层深的变化不明显；而当弹丸能量增大时，即弹丸半径或弹丸速度增大时，残余应力层深会相应的增大，并且受喷材料的强度越高，弹丸能量对残余应力层深的影响越显著。
　　此外，本文通过这四种不同强度钢的喷丸试验、电化学腐蚀剥层技术以及残余应力测试试验，验证了有限元模拟的模拟结果，发现模拟结果能够较好的符合实测的喷丸残余应力结果。

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第1章 绪 论

1. 1.喷丸强化发展现状

1. 2.喷丸残余应力

1. 3.喷丸组织结构

1. 4.喷丸工艺的有限元分析

1. 5.选题意义及研究内容

第2章 喷丸残余应力计算模型的建立

2.1.1. SOLID164单元

2.1.2.分段线性塑性材料模型

2.1.3.喷丸实体模型的建立

第3章 低强度钢喷丸残余应力有限元模拟

3.1.1.模型材料

3.1.2.有限元模型及数值模拟结果

3.1.3.弹丸强度对喷丸残余应力场的影响

3.1.4.弹丸半径对喷丸残余应力的影响

3.1.5.弹丸速度对喷丸残余应力场的影响

3.1.6.最佳喷丸工艺参数的选择

3.1.7.模拟结果与实际喷丸结果的对比

3.1.8.本章小结

第4章 中强度钢喷丸残余应力有限元模拟

4.1.1.模型材料

4.1.2.有限元模型及数值模拟结果

4.1.3.弹丸强度对喷丸残余应力场的影响

4.1.4.弹丸半径对喷丸残余应力的影响

4.1.5.弹丸速度对喷丸残余应力场的影响

4.1.6.最佳喷丸工艺参数的选择

4.1.7.模拟结果与实际喷丸结果的对比

4.1.8.本章小结

第5章 高强度钢喷丸残余应力有限元模拟

5.1.1.模型材料

5.1.2.有限元模型及数值模拟结果

5.1.3.弹丸强度对喷丸残余应力场的影响

5.1.4.弹丸半径对喷丸残余应力的影响

5.1.5.弹丸速度对喷丸残余应力场的影响

5.1.6.最佳喷丸工艺参数的选择

5.1.7.模拟结果与实际喷丸结果的对比

5.1.8.本章小结

第6章 超高强度钢喷丸残余应力有限元模拟

6.1.1.模型材料

6.1.2.有限元模型及数值模拟结果

6.1.3.弹丸强度对喷丸残余应力场的影响

6.1.4.弹丸半径对喷丸残余应力的影响

6.1.5.弹丸速度对喷丸残余应力场的影响

6.1.6.最佳喷丸工艺参数的选择

6.1.7.本章小结

第7章 结论与创新

本文主要结论

本文主要创新

有待进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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