在ABAQUS軟件中仿真純水射流沖擊7075鋁合金表面強化圖像分析

趙兮

摘 要：本文運用計算機仿真軟件ABAQUS模擬高壓純水射流試驗，在保持靶材（7075鋁合金）的靶距、噴射的移動速度、噴嘴直徑不變的情況下，通過改變射流水壓、射流角度來研究不同模擬狀態下產生的[xy]曲線，包括能量曲線、塑性應變曲線、殘余應力曲線、表面形貌曲線，探討殘余應力產生的規律。

關鍵詞：高壓純水射流;表面強化;殘余應力;表面型貌;表面粗糙度

中圖分類號：TG54文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0062-04

1 研究背景

高壓純水射流沖擊強化是20世紀80年代末由Zafred[1]首先提出并發展起來的一項濕法噴丸強化新技術，是高壓純水射流技術相對較新的應用領域，其具有受噴材料表面粗糙度值增加小、噴丸強度范圍寬、覆蓋率高、噴丸靈活、控制方便、無塵和安全綠色環保等優點。高壓純水射流作為一種新興的表層改性技術，通過合理調整工藝參數，可以在上述零件部位引入較大的殘余壓應力，實現有效的改性，提高零件的抗疲勞性能。

7075鋁合金是美國較早開發的一種鋁合金，其因強度高、重量輕的特性成為航空航天領域內應用范圍最廣的的金屬材料，常被用于制造大型整體結構件，被譽為鋁合金中性能最優良的產品[2]。用計算機仿真軟件ABAQUS模擬高壓水射流沖擊7075鋁合金靶材的目的是能直觀地獲取試驗中很難獲取的物理參數與力學狀態，可以有效節約試驗時間、降低成本，為高效高精度的試驗奠定理論基礎。在此，對仿真的過程與結果進行論述。

ABAQUS是國際通用的有限元分析軟件之一，功能強大，能夠高效地模擬工程上的復雜問題。純水射流沖擊強化的研究需要綜合考慮固體靶材的彈塑性特性、水的變形、求解計算時間與計算精度等問題[3]。

2.2 建立模型

建立7075鋁合金的幾何模型，在ABAQUS軟件中建立簡化之后的7075鋁合金幾何模型（見圖1）。

在ABAQUS中建立水滴和7075鋁合金的幾何模型，7075鋁合金和純水的相關參數見表1和表2。

2.3 網格劃分

①對水滴進行網格劃分，水滴網格控制屬性的單元形狀是四面體，單元類型中單元庫為Explicit，族為三維應力線性階次，四結點性四面體單元C3D4，部種為2，并設置水滴的節點和慣量。

②對7075鋁合金進行網格劃分，鋁合金網格控制屬性的單元形狀以六面體為主，單元類型中單元庫為Explicit，族為三維應力線性階次，八節點線性六面體單元C3D8R，減縮積分，沙漏控制，部種為2。

③對水滴和靶材進行裝配。

2.4 設置水滴和靶材之間的相互作用、邊界條件和載荷

因為水滴和靶材的網格必須有一定的重疊，因此，水滴和鋁合金要在相互作用中進行表面對表面接觸（Explicit）設置，在這里采用罰接觸方法，相互作用的屬性選擇力學-法向行為和切向行為，并根據需要設置表面粗糙度為3.2。

根據試驗情況，靶材要固定在夾具上，且不可移動的，需對靶材的底面設置“對稱—反對稱—完全固定”的邊界條件，即可限制靶材底面的自由度，以此來消除射流對靶體施加力的作用時導致模型分離。

2.5 研究的內容

高壓純水射流沖擊靶體材料（7075鋁合金）的表面形貌測試相關數據研究，塑性應變、殘余應力、表面粗糙度的應力云圖及xy曲線，相關試驗參數如表3所示。

本文研究的純水射流沖擊強化涉及碰撞、接觸等復雜的非線性問題，需要在顯示分析步ABAQUS/Explicit中求解流體與目標靶材之間的過程。數值模擬研究了水射流的水壓[P]、射流速度[v]和入射角[α]對殘余應力場的影響。

3 模擬結果

純水射流高速沖擊使材料質點發生運動，引起材料變形，可由材料質點的能量體現。射流高速沖擊做功傳遞給靶體材料的內能主要轉化為應變能。模擬過程中，能生成各種變化曲線，從這些曲線中，可以很有效研究殘余應力產生的規律。

3.1 在不同水壓作用下的殘余應力

圖2為7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下，入射角[α]=90°的情況下，靶距為10mm，靶材的塑性應變隨著水錘壓力的不斷增大，當水錘壓力引起的靶材應力超過靶材自身屈服強度時，就會使靶材產生塑性應變，殘余壓應力也隨之產生。此外，隨著射流壓力的增大，靶材塑性應變明顯增大且深度加深，殘余應力也在很短時間內逐漸加大。

圖3是7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下靶材表面的應力變化。從圖3可以看出，應力變化過程充分顯示了水壓對靶材的作用。綜合靶材應力變化情況和靶材塑性應變可知，只有當水錘壓力引起的材料應力大于靶材自身屈服強度時，塑性應變與殘余壓應力隨即產生。所以，殘余壓應力的產生是水錘壓力作用的結果。隨著水錘壓力升高，殘余應力形成需要的時間越短。

3.2 不同入射角[α]對殘余應力的影響

圖4是保持射流水壓200MPa不變，改變射流入射角度[α]，殘余應力隨時間發展的分布曲線。模擬結果表明，入射角較小時，隨著噴射時間的延續，殘余應力分布不均勻，時而大時而小，殘余應力波峰波谷較明顯，數值有正有負，既有殘余拉應力，也殘余壓應力，仿真效果較差，不利于得出實驗結果。隨著噴射角度不斷加大，殘余應力線的波峰波谷逐漸變小，當噴射角度為直角時，殘余應力線趨于一根平滑的曲線，分布也較為均勻，隨著噴射時間的推移，殘余應力越來越大，這樣水射流強化效果是最好的。

3.3 表面形貌

表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形狀誤差及紋理等不規則的微觀幾何形狀，是由加工過程中切削、磨削引起的塑性變形及加工設備的振動等原因造成的。

表面粗糙度分析。表面粗糙度是影響水射流沖擊強化效果的重要因素之一，其大小取決于靶材原始表面粗糙度。當表面粗糙度偏高時，疲勞會產生于零件表面，并導致零件疲勞強度下降，所以，有效控制表面粗糙度，是保證強化效果的重要措施。在此，通過ABAQUS軟件對7075鋁合金在不同的水壓、噴射角度下，對表面粗糙度進行模擬分析，更深入地了解水射流狀態下表面粗糙度的變化。

從圖5可以看出，在不同的射流水壓沖蝕下，靶材表面形貌所表現出來的表面粗糙度形態也不同，如射流水壓為80MPa時，靶材在受到沖蝕0.002 5s之后形成波峰和波谷，但波峰波谷相對來說成型不是很均勻，波峰波谷成型不是很明顯，表面粗糙度也較小。而在射流水壓為120MPa時，靶材在受到沖蝕0.002s后形成了波峰和波谷，并較之前形成的波峰和波谷大，表面粗糙度也相應增大。在射流水壓達到200MPa時，波峰波谷的形成比較勻稱，表面粗糙度的大小達到一個新的高度。當射流水壓增大時，靶材的表面粗糙度也加大，對靶材的沖蝕較為嚴重，靶材的表面粗糙度增大，相應的殘余應力也增大。

從圖6可以看出，當噴射角度為30°到60°時，靶材的波峰波谷在前期表現得不是很明顯，圖像較分散，表面粗糙度相對較小;當噴射角度達到75°時，靶材的波峰波谷呈現出相對平衡的狀態，圖像相對比較緊湊。從圖7可以看出，當噴射角度達到90°時，波峰波谷達到一個新的高度，圖像曲線比較緊湊，表面粗糙度加強。

4 結論

本文描述了在ABAQUS軟件仿真高壓純水射流沖擊過程中，基于純水射流理論基礎，運用ABAQUS的SPH方法模擬鋁合金7075作為靶材在不同的射流方式下所呈現的不同狀態。在試驗條件有限的情況下，通過計算機軟件仿真，并通過繪制[xy]曲線的方法得出試驗結果。通過本次模擬試驗可得出以下結論。

①在水射流沖擊過程中，殘余應力產生的條件是當水錘壓力引起的靶材應力超過靶材自身屈服強度時，就會使靶材產生塑性應變，殘余壓應力也隨之產生。隨著射流壓力的增大，靶材塑性應變明顯增大且深度加深，殘余應力也在很短時間內逐漸加大。

②只有當水錘壓力引起的材料應力大于靶材自身屈服強度時，塑性應變與殘余壓應力才隨即產生。所以，殘余壓應力的產生是水錘壓力作用的結果。隨著水錘壓力升高，殘余應力形成需要的時間縮短。

③當射流的水壓保持不變時，改變射流入射角度[α]，隨著噴射角度不斷加大，殘余應力線漸漸趨于平滑且分布均勻，隨著噴射時間的推移，殘余應力增大，水射流強化效果較好。

④保持射流角度不變，在不同射流水壓下，水壓對表面形貌呈現出不同狀態，當射流水壓增大時，靶材的表面粗糙度也加大，對靶材的沖蝕較為嚴重，靶材的表面粗糙度增大，相應的殘余應力也增大。

⑤保持水壓不變，在不同水射流噴射角度下，其對靶材表面形貌影響，當噴射角度達到90°時，表面粗糙度呈現最大值。

參考文獻：

[1]Zafred P R. High Pressure Water Short Peening：0218354B1 [P].1990-11-07.

[2]李戶航，鄭小偉，陳艷妮，等.7075-T651鋁合金薄壁件加工仿真研究[J].現代制造工程，2018（2）：107-113.

[3]王培卓.6061鋁合金純水射流沖擊強化數值模擬及試驗研究[D].鄭州：鄭州大學，2017.