董　星,　陳長(zhǎng)霞,　吳斌斌,　黨建毅

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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柱面零件噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

董星,陳長(zhǎng)霞,吳斌斌,黨建毅

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

為研究柱面零件噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,應(yīng)用ABAQUS軟件模擬了單粒球形彈丸沖擊柱面曲線輪廓零件靶體過程。接觸碰撞數(shù)值模擬采用動(dòng)態(tài)接觸對(duì)懲罰函數(shù)法,計(jì)算方法采用中心差分時(shí)間顯式算法,模型加載模式采用彈丸速度加載,模擬獲得了噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布規(guī)律。柱面靶體噴丸時(shí),靶體表面產(chǎn)生的周向殘余壓應(yīng)力和軸向殘余壓應(yīng)力不等,且表面周向殘余壓應(yīng)力略小于表面軸向殘余壓應(yīng)力;靶體上產(chǎn)生的最大周向殘余壓應(yīng)力和最大軸向殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距靶體表面相同深度位置,但最大周向殘余壓應(yīng)力略小于最大軸向殘余壓應(yīng)力,而周向殘余壓應(yīng)力層深度略大于軸向殘余壓應(yīng)力層深度。

噴丸強(qiáng)化; 殘余應(yīng)力場(chǎng); 數(shù)值模擬; 柱面零件

0　引　言

噴丸強(qiáng)化是提高金屬零部件疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力的有效途徑之一。以提高疲勞壽命為例,它對(duì)碳鋼、合金鋼、鋁合金、鈦合金、鐵基熱強(qiáng)合金以及鎳基熱強(qiáng)合金等材料抗交變載荷的疲勞壽命都能得到顯著的提高,有的達(dá)幾倍、甚至十幾倍以上。目前,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、核動(dòng)力、兵器、石油、煤炭、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。噴丸強(qiáng)化過程中材料表層發(fā)生劇烈塑性形變并引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng),因此,了解噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,對(duì)提高噴丸強(qiáng)化工藝水平十分重要。

數(shù)值模擬是研究噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的有效方法之一。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)噴丸各種載荷作用下的平面零件靶體進(jìn)行了較多的研究,但對(duì)于工程實(shí)際中經(jīng)常用到的柱面曲線輪廓零件噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)的研究還很少[3-12]。筆者應(yīng)用ABAQUS軟件模擬柱面零件靶體噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng),探究噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布規(guī)律,為工程應(yīng)用提供理論支持。

1　基本模型及計(jì)算方法

在實(shí)際工程中噴丸強(qiáng)化處理的零件表面輪廓型式多樣,既有平面,也有曲面。其中,柱面曲線輪廓零件是其重要的類型之一,如軸類件、齒輪件等。為使研究的問題既反映工程實(shí)際情況,又利于疲勞壽命分析,根據(jù)GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》中推薦的四點(diǎn)加力圓柱形試樣的形狀和尺寸,建立噴丸強(qiáng)化幾何模型,選擇長(zhǎng)度為20 mm、直徑為7.5 mm的圓柱體作為噴丸靶體,噴丸所用彈丸直徑為0.25 mm?？紤]彈丸和靶體形狀的不同,采用不同網(wǎng)格類型分別進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分:彈丸網(wǎng)格為四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元(C3D4),靶體網(wǎng)格為八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R),縮減積分,沙漏控制。得到的有限元模型如圖1所示。

圖1　有限元模型Fig. 1　Finite element model

在模擬過程中,選擇靶體材料為45#鋼,密度為7 800 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,屈服極限為705 MPa,切線模量為10 GPa;彈丸材料為球形玻璃珠,密度為2 500 kg/m3,彈性模量為55 GPa,泊松比為0.3。彈丸對(duì)靶體的沖擊速度為111.95 m/s,沖擊方向?yàn)閺较?并假定彈丸在接觸靶體之前的0.1 mm距離內(nèi)做勻速運(yùn)動(dòng)。靶體兩端施以徑向移動(dòng)約束,靶體上的其他節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)方向的自由度。接觸碰撞數(shù)值模擬采用動(dòng)態(tài)接觸對(duì)懲罰函數(shù)法,取庫(kù)侖摩擦系數(shù)為0.2,計(jì)算方法采用中心差分時(shí)間顯式算法。

2　模擬結(jié)果及分析

2.1噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

2.1.1殘余應(yīng)力隨時(shí)間的變化

圖2給出了彈丸沖擊靶體過程中,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生的殘余應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。

圖2　殘余應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線Fig. 2　Change curves of residual stress with time

由圖2可見,在彈丸與靶體碰撞接觸之前,靶體表面沖擊接觸中心的應(yīng)力為0;在彈丸與靶體接觸碰撞的瞬間,靶體表面沖擊接觸中心瞬間產(chǎn)生很大的周向壓應(yīng)力στ和軸向壓應(yīng)力σr,分別為-780.61 MPa和-839.25 MPa;在彈丸離開靶體的初期,周向和軸向壓應(yīng)力迅速減小,分別降至-434.15 MPa和-502.37 MPa,之后,壓應(yīng)力出現(xiàn)一個(gè)緩慢下降并逐漸趨于平穩(wěn)的過程;當(dāng)卸載完成時(shí),靶體表面沖擊接觸中心的周向和軸向殘余壓應(yīng)力分別為-252.18 MPa和-281.28 MPa。由此可知,柱面靶體表面噴丸,其周向和軸向產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不等,且周向殘余壓應(yīng)力略小于軸向殘余壓應(yīng)力。2.1.2殘余應(yīng)力沿方向的變化

(1)周向殘余應(yīng)力

圖3給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體產(chǎn)生的周向殘余應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)。由圖3a可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生周向殘余壓應(yīng)力,并圍繞接觸中心形成一個(gè)長(zhǎng)邊沿軸向的近似長(zhǎng)方形的應(yīng)力區(qū)。該長(zhǎng)方形應(yīng)力區(qū)內(nèi),從接觸中心到長(zhǎng)方形應(yīng)力區(qū)邊緣,殘余應(yīng)力由殘余壓應(yīng)力逐漸變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。由圖3b可以看出,彈丸沖擊靶體卸載后靶體表面和次表面區(qū)域產(chǎn)生對(duì)稱分布的殘余壓應(yīng)力區(qū),殘余壓應(yīng)力區(qū)下面是殘余拉應(yīng)力區(qū)域。

圖3　周向殘余應(yīng)力分布云圖Fig. 3　Circumferential residual stress contour

圖4給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的周向殘余應(yīng)力沿周向的變化曲線。由圖4可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生了最大周向殘余壓應(yīng)力,其值為-252.18 MPa。隨著沖擊接觸中心與周向距離dτ的增加,周向殘余壓應(yīng)力逐漸減小,在周向距離825.69 μm處,周向殘余壓應(yīng)力變?yōu)?。之后,周向殘余壓應(yīng)力變?yōu)橹芟驓堄嗬瓚?yīng)力,且周向殘余拉應(yīng)力逐漸增大,在周向距離890.75 μm處達(dá)到最大,其值為9.706 MPa。隨著周向距離繼續(xù)增大,殘余拉應(yīng)力又變成殘余壓應(yīng)力,殘余壓應(yīng)力逐漸增多后又逐漸減小,直至變?yōu)?。

圖4　周向殘余應(yīng)力沿周向的變化曲線Fig. 4　Change curve of circumferential residual stress along circumferential direction

圖5給出了彈丸沖擊靶體卸載后靶體上產(chǎn)生的周向殘余應(yīng)力沿深度(徑向)的變化曲線。由圖5可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生周向殘余壓應(yīng)力;隨著深度的增大,表層產(chǎn)生的周向殘余壓應(yīng)力先增大,達(dá)到最大值后又逐漸減小,到達(dá)一定深度,殘余壓應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力;隨著深度的繼續(xù)增大,殘余拉應(yīng)力先增大,至最大值后又逐漸減小,直至距表面一定位置變?yōu)?。具體數(shù)值為:在靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生的周向殘余壓應(yīng)力為-252.18 MPa,橫截面對(duì)稱軸上產(chǎn)生的最大周向殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距靶體表面深度142.41 μm處,其值為-281.15 MPa;殘余壓應(yīng)力層深度為463.83 μm;橫截面對(duì)稱軸上最大周向殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在距靶體表面深度510.02 μm處,其值為65.74 MPa;距表面深度1 166.22 μm處,殘余應(yīng)力變?yōu)?。

圖5　周向殘余應(yīng)力沿深度的變化曲線Fig. 5　Change curve of circumferential residual stress along depth

(2)軸向殘余應(yīng)力

圖6給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的軸向殘余應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)。

圖6　軸向殘余應(yīng)力分布云圖Fig. 6　Distribution contour of axial residual stress

由圖6a可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生軸向殘余壓應(yīng)力,并圍繞接觸中心形成一個(gè)長(zhǎng)邊沿軸向的近似長(zhǎng)方形的應(yīng)力區(qū),從接觸中心到長(zhǎng)方形應(yīng)力區(qū)邊緣,殘余應(yīng)力由殘余壓應(yīng)力逐漸變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。由圖6b可見,靶體表面和次表面區(qū)域產(chǎn)生對(duì)稱分布的殘余壓應(yīng)力,在殘余壓應(yīng)力區(qū)下面是殘余拉應(yīng)力區(qū)域。

圖7給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的軸向殘余應(yīng)力沿軸向的變化曲線。由圖7可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生表面最大軸向殘余壓應(yīng)力,其值為-281.280 MPa。隨著沖擊接觸中心與軸向距離dr的增大,軸向殘余壓應(yīng)力逐漸減小,在軸向距離611.88 μm處,軸向殘余壓應(yīng)力變?yōu)?。之后,軸向殘余壓應(yīng)力變?yōu)檩S向殘余拉應(yīng)力并逐漸增大。在軸向距離804.42 μm處,產(chǎn)生表面最大軸向殘余拉應(yīng)力,其值為111.872 MPa,并在一個(gè)很小的距離內(nèi)保持不變。然后,隨著軸向距離的增大,殘余拉應(yīng)力逐漸減小直至變?yōu)?。

圖7　軸向殘余應(yīng)力沿軸向的變化曲線Fig. 7　Change curve of axial residual stress along axial direction

圖8給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的軸向殘余應(yīng)力沿深度(徑向)的變化曲線。由圖8可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生軸向殘余壓應(yīng)力,隨著深度的增大,軸向殘余壓應(yīng)力先增大,至最大值后又逐漸減小,在一定深度,殘余壓應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。隨著深度的繼續(xù)增大,殘余拉應(yīng)力先增大,至最大值后又逐漸減小,直至距表面一定位置變?yōu)?。具體數(shù)值為:靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生的軸向殘余壓應(yīng)力為-281.28 MPa,軸平面上產(chǎn)生的最大軸向殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在靶體表面深度142.41 μm處,其值為-288.00 MPa;殘余壓應(yīng)力層深度為451.65 μm;軸平面上產(chǎn)生的最大軸向殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在靶體表面深度510.02 μm處,其值為48.75 MPa;在距表面3 098.88 μm處,殘余應(yīng)力變?yōu)?。

由圖5和圖8的分析可知,彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的最大周向殘余壓應(yīng)力和最大軸向殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距靶體表面相同位置,但最大周向殘余壓應(yīng)力略小于最大軸向殘余壓應(yīng)力,而周向殘余壓應(yīng)力層深度略大于軸向殘余壓應(yīng)力層深度。

圖8　軸向殘余應(yīng)力沿深度的變化曲線Fig. 8　Change curve of axial residual stress along depth

2.2噴丸產(chǎn)生的等效殘余應(yīng)力

圖9給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的等效殘余應(yīng)力σe分布云圖(單位：Pa)。由圖9a可見,彈丸靶體表面沖擊接觸區(qū)產(chǎn)生菱形的等效殘余應(yīng)力區(qū),在沖擊接觸中心獲得最大等效殘余應(yīng)力,由中心向四周擴(kuò)展，且等效殘余應(yīng)力逐漸減小。由圖9b可見,靶體橫截面表層產(chǎn)生對(duì)稱分布的等效殘余應(yīng)力區(qū)。

圖10給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的等效殘余應(yīng)力沿深度(徑向)的變化曲線。由圖9b和圖10可以看出,彈丸沖擊靶體卸載后,在靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生最大等效殘余應(yīng)力,其值為700 MPa。然后,隨著深度的增加,等效殘余應(yīng)力減小,在靶體表面到深度為697.67 μm處的范圍內(nèi),等效殘余應(yīng)力迅速減少,并降至33.86 MPa。隨著深度的繼續(xù)增大,等效殘余應(yīng)力緩慢減小,直至變?yōu)?。

圖9　等效殘余應(yīng)力分布云圖Fig. 9　Distribution contour of equivalent residual stress

圖10　等效殘余應(yīng)力沿深度的變化曲線Fig. 10　Change curve of equivalent residual stress along depth

2.3噴丸產(chǎn)生的徑向位移

圖11給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的徑向位移分布云圖(單位：Pa)。由圖11a可見,靶體表面沖擊接觸區(qū)產(chǎn)生了明顯的位移滑動(dòng),位移滑動(dòng)的區(qū)域近似呈橢圓形,橢圓形中心區(qū)域?yàn)樨?fù)位移,橢圓形邊緣處為正位移,最大位移值發(fā)生在靶體表面沖擊接觸中心。由圖9b可見,靶體橫截面表層產(chǎn)生對(duì)稱分布的徑向位移區(qū)。

圖11　徑向位移分布云圖Fig. 11　Distribution contour of radial displacement

圖12給出了彈丸沖擊靶體卸載后,靶體上產(chǎn)生的徑向位移沿深度(徑向)的變化曲線。由圖11b和圖12可見,靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生最大負(fù)位移,其值為-51.96 μm。隨著深度的增加,位移值迅速減少,直至變?yōu)?。

圖12　徑向位移沿深度的變化曲線Fig. 12　Change curve of radial displacement along depth

3　結(jié)　論

(1)靶體表面沖擊接觸中心產(chǎn)生的周向殘余壓應(yīng)力和軸向殘余壓應(yīng)力不等,且表面周向殘余壓應(yīng)力略小于表面軸向殘余壓應(yīng)力。

(2)靶體表面圍繞沖擊接觸中心形成一個(gè)長(zhǎng)邊沿軸向的近似長(zhǎng)方形的殘余應(yīng)力區(qū)。從接觸中心到長(zhǎng)方形邊緣,殘余應(yīng)力由殘余壓應(yīng)力逐漸變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。

(3)靶體上產(chǎn)生的周向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力沿深度的變化曲線具有典型的殘余應(yīng)力曲線特征。

(4)靶體上產(chǎn)生的最大周向殘余壓應(yīng)力和最大軸向殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距靶體表面相同位置,但最大周向殘余壓應(yīng)力略小于最大軸向殘余壓應(yīng)力,而周向殘余壓應(yīng)力層深度略大于軸向殘余壓應(yīng)力層深度。

(5)靶體表面沖擊接觸區(qū)產(chǎn)生呈菱形狀的等效殘余應(yīng)力區(qū)。沖擊接觸中心獲得最大等效殘余應(yīng)力,且由中心向四周擴(kuò)展過程中,等效殘余應(yīng)力逐漸減小。

(6)靶體表面沖擊接觸區(qū)產(chǎn)生明顯的位移滑動(dòng)。位移滑動(dòng)的區(qū)域近似橢圓形。橢圓形中心區(qū)域?yàn)樨?fù)位移,橢圓形邊緣處為正位移,最大位移在靶體表面沖擊接觸中心。

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(編輯晁曉筠)

Numerical simulation of residual stress field of cylindrical parts formed by shot peening strengthening

DONGXing,CHENChangxia,WUBinbin,DANGJianyi

(College of Mechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at investigating the distribution law of residual stress field formed by shot peening strengthening, this paper is concerned with applying the ABAQUS software to simulate the process by which the single spherical projectile achieves impacts on the cylindrical parts target with curve profile. The process consists of the numerical simulation of the contact impact by using the dynamic contact of the penalty function method, the adoption of central differential time explicit algorithm, and the use of the model loading mode,the projectile velocity loading method. The results show that the stimulation produces the distribution law of residual stress field and displacement field of shot peening strengthening; subjecting cylindrical target to top shot peening results in the differences between the circumferential residual stress and the axial residual stress on the target surface, and the circumferential residual stress is slightly smaller than the axial residual stress. The results reveal that there occur both the maximum circumferential residual stress slightly smaller than the maximum axial residual stress and axial residual stress in the same depth position from the target surface, but the layer of circumferential residual compressive stress depth is bigger than the axial residual compressive stress depth.

shot peening strengthening; residual stress field; numerical simulation; cylindrical parts

1671-0118(2012)03-0287-06

2012-05-04

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009RFXXG203)

董星(1964-),男,河北省灤平人,教授,博士,研究方向:水射流技術(shù)及流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論,E-mail:dongxingwrh@163.com。

TP69

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