基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展的数值模拟

摘要

据统计，超过80％的机械断裂事故由疲劳引起。而疲劳失效中，80%以上的疲劳裂纹起始于诸如切削加工刀痕、划伤、组织损伤、夹杂物及其他表面缺陷造成的应力集中处，可以说表面完整性决定了构件的疲劳性能。因此，表面强化处理显得尤为重要。而在诸多的表面强化工艺中，喷丸因为具有高适应性、高通用性、高生产效率以及合理的设备费用、低能量要求等优点而应用最为广泛。
　　 随着计算机技术的发展，数值模拟在疲劳研究、疲劳裂纹扩展研究以及喷丸研究中扮演了非常重要的角色。但到目前为止，鲜有学者将疲劳裂纹扩展数值模拟与喷丸数值模拟结合起来，而二者的结合研究会对数值模拟技术的发展产生很大影响，也会扩大其各自的研究领域，最重要的是，二者的有机结合可为工业应用提供重要的参考数据。
　　 为实现这一目标，本文主要完成了以下工作:
　　 (1)对国内外喷丸技术研究和喷丸数值模拟方法的研究进行了综述，提出了将喷丸数值模拟与疲劳裂纹扩展相结合的研究思路。
　　 (2)以Matlab为计算平台采用Al-Hassani理论法计算了Q235的喷丸残余应力场，同时，基于PRO/E、Hypermesh、ABAQUS等平台采用有限元法计算了Q235的喷丸残余应力场，对两种方法的计算结果进行了比较检验，对计算结果进行了深入总结和分析，供工程应用参考。
　　 (3)基于UG、Hypermesh、ABAQUS等平台采用有限元法计算了球墨铸铁曲轴的喷丸残余应力场，并与典型塑性材料Q235的数据进行了对比。
　　 (4)基于以上计算结果，应用MSC.Fatigue对不同喷丸参数改变时的喷丸残余应力场下疲劳裂纹扩展情况进行了研究，对不同喷丸参数对材料抗疲劳性能的改善进行了讨论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义及目的

1．1．1 疲劳研究意义

1．1．2 选取疲劳裂纹扩展研究的意义

1．1．3 喷丸残余应力场的研究意义

1．1．4 选题目的

1．2 喷丸强化技术的研究现状

1．2．1 喷丸简介

1．2．2 喷丸强化技术国内外的应用进展及现状

1．2．3 喷丸数值模拟技术的研究意义及关键技术

1．2．4 喷丸数值模拟国内外的研究进展

1．3 本文主要研究内容

第二章 研究所需的理论基础及基本研究思路

2．1 疲劳裂纹扩展理论

2．1．1 Paris公式以及疲劳裂纹扩展寿命预测公式

2．1．2 疲劳裂纹扩展的一般规律及影响因素

2．2 喷丸抗疲劳机理的理论研究

2．2．1 喷丸后构件表层的变化对疲劳裂纹扩展抗力的影响

2．2．2 喷丸诱导的残余应力对疲劳裂纹扩展抗力的影响

2．3 喷丸抗疲劳机理研究的基本研究思路

2．3．1 有限元模型的建立过程

2．3．2 基本研究思路

2．4 本章小结

第三章 基于A1-Hassani理论法和有限元法的喷丸残余应力场研究

3．1 A1-Hassani理论法的计算平台及基本理论简介

3．1．1 Matlab简介

3．1．2 A1-Hassani公式简介

3．2 喷丸残余应力场的有限元建模

3．2．1 有限元模型建模平台简介

3．2．2 有限元模型建模过程

3．3 A1-Hassani理论法和有限元法的结果对照分析

3．3．1 塑性区深度和最大残余应力计算结果分析

3．3．2 残余应力分布计算结果分析

3．3．3 Q235喷丸残余应力场的研究结果总结

3．4 球墨铸铁曲轴的喷丸残余应力场研究

3．4．1 UG简介

3．4．2 球墨铸铁曲轴的有限元建模

3．4．3 球墨铸铁曲轴喷丸残余应力场研究的计算结果分析

3．4．4 球磨铸铁曲轴喷丸残余应力场的研究结果总结

3．5 本章小结

第四章 基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展研究

4．1 疲劳计算平台MSC．Fatigue简介

4．1．1 MSC．Fatigue简介

4．1．2 MSC．Fatigue的裂纹扩展分析原理简介

4．2 MSC．Fatigue基本参数设置

4．2．1 MSC．Fatigue主参数选用及设置

4．2．2 MSC．Fatigue核心参数设置

4．3 基于单丸喷丸模型的基本喷丸参数对疲劳裂纹扩展的影响研究

4．3．1 研究模型的建立及其有限元计算结果

4．3．2 计算结果分析

4．3．3 结果小结

4．4 基于n丸喷丸模型的覆盖率对疲劳裂纹扩展的影响研究

4．4．1 n丸模型的有限元计算结果

4．4．2 疲劳裂纹扩展计算结果分析及其规律总结

4．5 基于未喷丸模型及喷丸模型的喷丸残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响研究

4．5．1 未喷丸模型以及喷丸模型的有限元计算结果

4．5．2 疲劳裂纹扩展计算结果对照分析

4．5．3 结果小结

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果