基于光滑粒子流體動力學(SPH)法的噴丸強化數值模擬研究.pdf

1、噴丸強化是一種提高工件疲勞壽命的表面強化工藝。通過彈丸高速撞擊金屬表面,在表面形成均勻的殘余壓應力層,抵消工件表面承受的破壞性拉應力,減緩裂紋的擴展速度,延長零件疲勞壽命。然而噴丸表面強化過程機理復雜,各工藝參數選擇和搭配對噴丸效果的影響很大,且難以用精確的數學模型描述。目前國內外的研究大多集中于實驗領域,數值模擬多采用有限元法(Finite ElementMethod,簡稱FEM)模擬單個彈丸或者幾個彈丸對工件的沖擊作用,不能反映實際

2、噴丸時大量彈丸重復打擊工件和彈丸間相互作用的影響。
　　 為克服有限元法在噴丸強化仿真模擬中的缺陷,本文首次采用光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics,簡稱SPH)耦合有限元法(FEM)模擬噴丸強化過程,并對此方法做了系統(tǒng)的研究,通過仿真結果與實驗數據的對比分析,驗證了仿真模型及結果的正確性,為噴丸強化的仿真研究和工藝參數優(yōu)化設計提供了強有力的工具。
　　 SPH算法是無網格算

3、法的一種,因其自身公式構造不會受粒子分布的隨意性的影響,具有良好的自適應性,又因為其典型的Lagrange性,方便追蹤其粒子運動軌跡,使得SPH粒子更具靈活性?，F已廣泛應用于具有大變形的流體動力學問題。SPH耦合FEM建模,其中金屬工件采用Lagrange網格建模;彈丸采用SPH粒子建模,通過狀態(tài)方程考慮了空氣和彈丸的混合作用,提出了彈丸流空氣混合材料模型。SPH和FEM的耦合作用通過接觸算法實現,以模擬彈丸對工件的沖擊強化過程。通過仿

4、真結果與實驗結果的對比,分別分析了彈丸大小、彈丸打擊次數、覆蓋率、彈丸速度等參數對金屬工件殘余壓應力分布的影響,并從能量角度,討論了初始速度與能量利用率的關系。揭示了噴丸強化各工藝參數對噴丸效果的影響,并總結規(guī)律取得了一系列的研究成果。
　　 為進一步研究噴丸強化機理,本文還從微觀針對單個彈丸打擊狀況進行了建模仿真。通過對打擊次數、彈丸大小、打擊速度等相關參數的實驗與仿真對比,再一次驗證了耦合建模所得參數影響規(guī)律的正確性,并對所