超聲沖擊殘余應(yīng)力場的有限元模擬

李進(jìn)一， 凌 祥， 周建新

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

超聲沖擊處理(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)是當(dāng)前廣泛采用的一種表面處理方法。該方法利用超聲波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)沖擊針高速撞擊金屬表面，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力，從而提高金屬零件的強(qiáng)度、耐腐蝕性、疲勞壽命等多種力學(xué)性能［1，2］。

超聲沖擊處理與傳統(tǒng)噴丸方法(玻璃噴丸、鑄鋼噴丸)具有相同的強(qiáng)化原理，但超聲沖擊處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧、使用靈活方便、噪聲小、效率高、成本低且節(jié)能。目前，國內(nèi)外對超聲沖擊機(jī)理的研究主要集中在超聲沖擊處理后，疲勞性能改變上。很多學(xué)者都側(cè)重于從具體疲勞試驗(yàn)入手，通過分析疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來揭示材料的疲勞行為［3～5］。對于同屬于沖擊處理的噴丸法，國內(nèi)外有大量數(shù)值模擬方面的相關(guān)研究［6～13］，但是對于超聲沖擊處理，利用數(shù)值分析的方法對超聲沖擊處理的過程進(jìn)行模擬研究的報(bào)道則很少。

本工作應(yīng)用大型有限元軟件ABAQUS模擬304不銹鋼經(jīng)超聲沖擊后殘余應(yīng)力場的分布，分析了沖擊速度、針頭直徑、沖擊時(shí)間及摩擦力對超聲沖擊殘余應(yīng)力場的影響，并研究不同覆蓋率對殘余應(yīng)力場分布的影響，為理解超聲沖擊強(qiáng)化機(jī)理，優(yōu)化工藝參數(shù)提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)值分析模型

1.1 超聲沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬方法

超聲沖擊強(qiáng)化過程是多個(gè)沖擊針頭反復(fù)撞擊工件表面的過程，在針頭沖擊作用下，工件表層產(chǎn)生不均勻的彈塑性變形，其結(jié)果除在表面留下凹坑外，主要是形成表層殘余壓應(yīng)力場，以提高工件疲勞壽命。……