ZGMn13噴丸強化有限元模擬

薛菲 李路鑫 鹿素芬

摘 要：噴丸工藝是一種有效提高工件表面疲勞抗力的表面處理工藝，被廣泛應用在航空、汽車、動力機械等重要領域。噴丸數值模擬是制訂噴丸工藝方案、評估噴丸后工件表面疲勞抗力的主要理論工具。本文運用有限元仿真軟件建立了ZGMn13噴丸強化的有限元模型，利用仿真結果預測了噴丸速度、噴丸時間、噴丸覆蓋率對殘余應力場分布的影響。從計算結果可以看出，噴丸速度相同時，殘余壓應力層的深度和殘余壓應力的峰值隨著噴丸時間的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和，但殘余壓應力峰值深度位置并不隨著噴丸時間的增加而增加，而是基本保持不變；隨著噴丸速度的增加，殘余壓應力層的深度和殘余壓應力值的峰值隨之增加。

關鍵詞：ZGMn13；噴丸強化；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.010

1 緒論

噴丸強化[1-4]是利用高速彈丸流對金屬零件表面進行撞擊，使零件表面產生殘余應力場，改變零件的表面狀態并提高零件的疲勞性能，與其他表面處理工藝相比， 噴丸強化具有強化效果明顯、消耗成本低、實施過程簡便等特點， 廣泛應用于動力機械、汽車和航空等重要領域。

噴丸強化過程是高度非線性的動態沖擊過程，噴丸工藝參數對噴丸效果的影響需要借助于數值仿真手段進行分析，近年相關學者開展了噴丸數值模擬[5-8]研究取得了較大進展。但由于噴丸強化作用過程復雜且影響因素眾多，至今仍有許多關鍵技術有待深化和解決。本文針對工業常用耐磨材料ZGMn13[9-12]的噴丸表面強化展開研究，利用Abaqus建立了多丸粒噴丸強化模型，研究噴丸覆蓋率、噴丸時間和噴丸速度對噴丸強化殘余應力場的影響，建立了ZGMn13多丸粒噴丸模型，研究了噴丸覆蓋率、噴丸時間和噴丸速度對于ZGMn13表面噴丸強化效果的影響，為ZGMn13噴丸強化效果預測和工藝參數的優化提供依據。

2 ZGMn13拋丸強化有限元模型

由于在彈丸碰撞ZGMn13工件時，彈丸垂直于ZGMn13工件的表面撞擊，彈丸接觸ZGMn13工件的表面時的彈丸速度是瞬時不連續的，因此本文選擇顯式時間積分。

2.1 ZGMn13工件模型幾何尺寸

影響噴丸效果的因素主要包括：材料本身的性能、噴丸速度、彈丸直徑、噴丸覆蓋率等。本文所建立幾何模型如圖1所示。

2.2 材料的力學性能

所采用的ZGMn13和噴丸材料工藝參數如表1所示。

2.3 載荷

當彈丸以一定的速度撞擊ZGMn13工件表面時，對ZGMn13工件表面施加一定的沖擊載荷。本文通過定義噴丸的初始速度來定義噴丸與ZGMn13工件表面撞擊過程中所產生的載荷。

彈丸以一定的速度撞擊ZGMn13工件表面時。由于噴丸垂直碰撞ZGMn13工件，因此摩擦系數設為 0。

2.4 ZGMn13單元類型和網格劃分

ZGMn13工件的網格劃分選用 C3D8R 單元，彈丸選用C3D4單元。

3 ZGMn13噴丸后表面殘余應力

在本文中通過改變彈丸數目來模擬噴丸時間對ZGMn13工件表面噴丸后殘余應力的影響。噴丸直徑為1.5mm，噴丸速度分別為40 m/s、60 m/s、80 m/s和100 m/s，撞擊點為工件中心點（坐標值（0，0，0）），噴丸數目 N 分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。圖 2、圖3、圖4和圖5 分別為速度40m/s、60m/s、80m/s、100 m/s時噴丸時間對殘余應力分布的影響。圖2、圖3、圖4和圖5 的計算結果表明，噴丸速度相同時，殘余壓應力的峰值和壓應力層的深度隨著彈丸數量的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和。圖6所示為不同速度不同噴丸時間時殘余壓應力最大值，從圖6可以看出，在相同噴丸時間下，殘余壓應力值是隨著速度的增加而增加的，分析其原因：噴丸的沖擊動能是隨著噴丸速度的增加而增加，導致ZGMn13噴丸表面殘余壓應力峰值隨之增大。

圖7所示為不同速度時噴丸時間對壓應力最大值層深的影響，圖8所示為不同速度時噴丸時間對壓應力層深的影響。從圖7和圖8可以看出，隨著噴丸時間的增加，殘余壓應力峰值所在的位置基本保持不變，但是殘余壓應力層深是隨著噴丸速度的增加而增加的，分析其原因：噴丸的沖擊動能是隨著噴丸速度的增加而增加，導致ZGMn13噴丸表面殘余壓應力層厚度隨之增大。

4 結論

本文運用大型有限元軟件ABAQUS 建立了噴丸強化ZGMn13的三維有限元模型，對噴丸過程進行了計算分析，得到如下結論：

噴丸速度相同時，殘余壓應力的峰值和壓應力層的深度隨著彈丸數量即噴丸時間的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和，但殘余壓應力峰值深度位置并不隨著噴丸時間的增加而增加，而是基本保持不變；噴丸速度增加時，殘余壓應力層深度和殘余壓應力峰值隨之增加。

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