喷丸强化过程的数值模拟与疲劳裂纹扩展行为研究

摘要

疲劳问题一直以来都是工业上备受关注的问题之一。金属零部件和工程结构疲劳断裂不仅造成巨大的经济损失，甚至会危及到人员的生命安全。研究材料的疲劳裂纹扩展行为具有重大的工程实用价值和社会经济意义。疲劳易启裂于零部件的表面，为了抑制表面裂纹的萌生和扩展，通常对材料的表面进行强化处理。喷丸是一种在工业生产中应用极为广泛的表面强化工艺，通过向金属材料的表层注入残余压应力并优化其组织结构，显著提高零部件的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。近年来，随着有限元技术和电子计算机的飞速发展，通过数值模拟研究喷丸强化机制和优化喷丸过程参数，已成为当前喷丸强化技术进一步发展的要求和潮流。
　　本研究主要内容包括：⑴通过单丸喷丸模型研究模型参数对数值结果的影响。从受喷区域的动态应力演化和残余应力分布两个方面评估对称胞元模型预测的残余应力。根据对称胞元模型的模拟方法，对预应力喷丸强化过程进行建模研究，发现随着喷丸速度的增大，喷丸强化所致残余压应力对预加拉应力愈加敏感。根据真实的喷丸强化工艺和基于受喷表面凹坑分布的统计分析，提出随机概率喷丸模型。利用该模型模拟二次喷丸强化过程，结果表明二次喷丸强化能够有效强化靶材表层的残余压应力并减小受喷表面粗糙度。⑵基于激光冲击波压力的时空分布模型和能够表征材料流动应力Arrhenius和non-Arrhenius特征的统一本构模型，建立三维单点激光喷丸高导无氧（OFHC）铜的有限元模型。通过该模型定量研究激光功率密度和激光脉冲半高宽对喷丸强化效果的交互影响以及应力波在靶材内部的传播特性。单点多次激光喷丸强化的残余应力趋于饱和，这主要与靶材的硬化历史有关。双面激光喷丸强化的残余应力对靶材的厚度十分敏感，这主要与双面喷丸过程中冲击波的相互作用有关。⑶采用位错密度演化模型定量预测喷丸强化过程中受喷区域细化的晶粒尺寸和增加的位错密度。在弹丸或激光束的冲击载荷下，靶材表层的晶粒尺寸显著减小，位错密度显著增加，并且细化的晶粒尺寸和增加的位错密度随着重复喷丸次数的增加而逐渐趋于饱和。此外，建立晶体塑性本构模型，模拟单晶铜在冲击载荷下的变形行为。⑷采用非标准紧凑拉伸试样对2024-T4铝合金进行常幅和变幅载荷下的疲劳裂纹扩展试验。在常幅载荷下，用名义应力强度因子幅表征的疲劳裂纹扩展行为呈现出明显的应力比效应。基于疲劳启裂和裂纹扩展的统一模型能够很好地预测不同应力比下疲劳裂纹扩展速率。单个拉伸过载会产生显著的疲劳裂纹扩展迟滞现象。当裂纹扩展出过载影响区后，疲劳裂纹扩展行为将恢复到常幅载荷下的状态。高-低变幅载荷工况引起的疲劳裂纹扩展迟滞行为主要与两个顺序加载历史参数有关。变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为能够采用Wheeler模型进行合理地表征。

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主要符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标和内容

第2章 常规喷丸强化过程的数值研究

2.1 引言

2.2 单丸喷丸强化

2.3对称胞元喷丸模型

2.4 预应力喷丸强化

2.5 随机概率喷丸模型

2.6 二次喷丸强化

2.7 本章小结

第3章 激光喷丸强化OFHC铜的数值研究

3.1 引言

3.2 冲击波压力模型

3.3 靶材的本构模型

3.4 激光喷丸模型

3.5 单点单次激光喷丸强化

3.6 单点多次激光喷丸强化

3.7 双面激光喷丸强化

3.8 本章小结

第4章 喷丸的组织结构强化数值研究

4.1 引言

4.2 喷丸强化过程中晶粒细化的数值研究

4.3 晶体塑性变形的数值研究

4.4 本章小结

第5章 疲劳裂纹扩展行为的试验与数值研究

5.1 引言

5.2 疲劳裂纹扩展试验研究

5.3 疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果