一種基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法，其特征是：利用彈丸及受噴材料的材料屬性對彈丸及受噴材料建立局部有限元模型，通過設(shè)定不同的工藝參數(shù)進(jìn)行有限元分析得出最大平均應(yīng)力并運(yùn)用回歸分析方法得出最優(yōu)回歸方程，利用最優(yōu)回歸方程確定噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)。本發(fā)明在通過研究噴丸強(qiáng)度和噴丸工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，找出不同參數(shù)對于噴丸強(qiáng)化的殘余內(nèi)應(yīng)力沿層深的變化規(guī)律及殘余應(yīng)力的分布情況，從而根據(jù)噴丸強(qiáng)度的需要科學(xué)合理地確定噴丸工藝參數(shù)。
【專利說明】一種基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及噴丸強(qiáng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工 藝參數(shù)確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 噴丸強(qiáng)化是一種效果卓著的金屬零件表面形變強(qiáng)化工藝，是提高工件疲勞壽命的 有效途徑之一，具有實施方便、效果顯著、適應(yīng)面廣、消耗低等特點，被廣泛應(yīng)用于航空、軍 工、汽車等領(lǐng)域。
[0003] 現(xiàn)有噴丸工藝參數(shù)的選擇大都依靠經(jīng)驗和試噴實驗的方式作出多個S-N曲線進(jìn) 行比較，S-N曲線是以材料標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命的對數(shù)值Ig N為橫坐 標(biāo)，表示一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，稱應(yīng)力一壽命 曲線。通常所說的材料的S-N曲線，是指把原材料做成圓棒形、在指定的加工精度等級和熱 處理工藝下的標(biāo)準(zhǔn)試件，得到拉、壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)作用下的疲勞壽命，從而得到的相應(yīng)的S-N 曲線。因此，不同的零件，因形狀不同，加工精度和熱處理工藝也不盡相同，其S-N曲線也自 然不同。找出最佳曲線，進(jìn)而選擇噴丸工藝參數(shù)。但經(jīng)驗的方式缺少科學(xué)依據(jù)，試噴實驗的 方式非常復(fù)雜、周期長且昂貴。
[0004] 數(shù)值模擬因其經(jīng)濟(jì)性和高效性成為研宄噴丸強(qiáng)化的重要手段，可以節(jié)省實驗的巨 大投入。目前對于噴丸強(qiáng)化的有限元模擬的現(xiàn)狀為Johnson首先對噴丸過程進(jìn)行了有限 元準(zhǔn)動態(tài)模擬，但這一方式僅僅考慮了彈丸的慣性作用；Meguid等對噴丸殘余應(yīng)力進(jìn)行了 動態(tài)有限元研宄，但其僅限于單丸碰撞；Bargetti用三維軸對稱模型模擬噴丸過程，也是 僅限于單丸碰撞。Meguid等人把噴丸過程的三維有限元數(shù)值模擬研宄推進(jìn)到與實際更為接 近的多丸粒階段;MAJZ00BI等人采用LS-DYNA代碼研宄多丸粒噴丸過程的數(shù)值模擬，并得 出結(jié)論，受噴材料的殘余應(yīng)力分布與彈丸速度和粒數(shù)密切相關(guān)。然而，目前仍然缺乏相關(guān)的 方法來對噴丸過程的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于有限元分析的噴 丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法，旨在通過研宄噴丸強(qiáng)度和噴丸工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系， 找出不同參數(shù)對于噴丸強(qiáng)化的殘余內(nèi)應(yīng)力沿層深的變化規(guī)律及殘余應(yīng)力的分布情況，解決 根據(jù)噴丸強(qiáng)度的需要，科學(xué)合理確定噴丸工藝參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法的特點是按如下步驟 進(jìn)行：
[0008] 步驟1 :建立有限元模型
[0009] 利用彈丸及受噴材料的材料屬性對彈丸及受噴材料建立局部有限元模型，以所述 局部有限元模型模擬整個噴丸過程，并采用非反射邊界條件、對稱面和固定約束減小邊界 對于模擬效果的影響；所述彈丸及受噴材料的材料屬性是以材料參數(shù)進(jìn)行表征，所述材料 參數(shù)是指彈丸及受噴材料的楊氏模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度以及切線模量；
[0010] 所述局部有限元模型包括四層半徑為R的彈丸，以及從受噴材料上受噴面上截取 的以受噴面為頂面的正六面體，所述正六面體的頂面是與水平面平行、且邊長為6R的正方 形；所述正六面體的高度為2.Imm;
[0011] 采用有限元工具對所述局部有限元模型中的彈丸及受噴材料采用六面體網(wǎng)格進(jìn) 行單元劃分，并且使彈丸表面與受噴材料受噴面的各六面體網(wǎng)格均大小一致，所述受噴材 料受噴面上的六面體網(wǎng)格的頂面是邊長不大于0. 04R的正方形，定義所述局部有限元模型 中每個六面體網(wǎng)格所包絡(luò)的體積為一個單元；
[0012] 采用所述有限元工具對接觸進(jìn)行定義，定義接觸類型為"侵蝕"；
[0013] 采用所述有限元工具對邊界進(jìn)行設(shè)置，使彈丸及受噴材料的豎直面進(jìn)行對稱面設(shè) 置；并設(shè)置所述受噴材料除所述受噴面之外的其它面為非反射邊界；
[0014] 采用所述有限元工具對受噴材料進(jìn)行固定約束；
[0015] 采用所述有限元工具對彈丸施加初速度；所述初速度方向為豎直方向；
[0016] 完成有限元模型的建立；
[0017] 步驟2 :有限元分析
[0018] 根據(jù)工藝要求采用所述有限元工具為所述局部有限元模型中的彈丸及受噴材料 的材料參數(shù)、彈丸大小及初速度進(jìn)行賦值，利用所述有限元工具獲得受噴材料的各單元的 殘余應(yīng)力σXX，對所述殘余應(yīng)力σXX按如下方法進(jìn)行分析：
[0019] 對具有相同深度的各單元的殘余應(yīng)力σXX進(jìn)行平均值計算獲得相應(yīng)深度上各單 元的平均殘余應(yīng)力，并通過描點法作圖，獲得各不同深度單元的平均殘余應(yīng)力的變化趨勢， 以及受噴材料中最大平均殘余應(yīng)力及其所在的深度；所述深度是指以受噴材料的受噴面為 起點，彈丸運(yùn)動方向為矢量的垂直距離。
[0020] 步驟3:逐步回歸分析
[0021] 運(yùn)用正交實驗法安排工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)是指彈丸半徑、彈丸速度和彈丸強(qiáng) 度；
[0022] 采用所述有限元工具設(shè)置每一組工藝參數(shù)，利用步驟2所述的有限元分析得出不 同工藝參數(shù)下受噴材料的最大平均殘余應(yīng)力；
[0023] 采用回歸分析得到最大平均殘余應(yīng)力關(guān)于所述工藝參數(shù)的最優(yōu)回歸方程；利用所 述最優(yōu)回歸方程確定噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)。
[0024] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0025] 1、本發(fā)明通過設(shè)定參數(shù)模擬不同的噴丸工藝，能完全替代傳統(tǒng)實驗方法獲得的最 佳工藝參數(shù)，節(jié)省了大量的人力和物力。
[0026] 2、本發(fā)明中分別固定彈丸速度或者彈丸半徑，可以得出單一影響因素下的最佳工 藝參數(shù)。
[0027] 3、本發(fā)明把多種形式的多項式逐步回歸方法引入噴丸工藝參數(shù)最優(yōu)方程的選取， 得到更加精確的回歸方程，增加了獲得噴丸工藝參數(shù)的實用性。
[0028] 4、本發(fā)明采用正交實驗安排噴丸工藝參數(shù)，運(yùn)用逐步回歸分析方法進(jìn)行回歸，最 后得到最優(yōu)回歸方程，可以對最大平均殘余應(yīng)力進(jìn)行定量研宄，根據(jù)最大平均殘余應(yīng)力的 需要即噴丸強(qiáng)度，可以任意定制工藝參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖Ia為本發(fā)明中有限元模型建立步驟中模型左視圖；
[0030] 圖Ib本發(fā)明中有限元模型建立步驟中模型右視圖；
[0031] 圖2本發(fā)明中有限元模型建立步驟中網(wǎng)格劃分圖；
[0032] 圖3本發(fā)明中實驗驗證步驟實驗驗證比較圖；

【具體實施方式】
[0033] 本實施例中基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法是按如下步驟進(jìn) 行：
[0034] 步驟1 :建立有限元模型
[0035] 利用彈丸及受噴材料的材料屬性對彈丸及受噴材料建立局部有限元模型，以局部 有限元模型模擬整個噴丸過程，并采用非反射邊界條件、對稱面和固定約束減小邊界對于 模擬效果的影響；彈丸及受噴材料的材料屬性以材料參數(shù)表征，材料參數(shù)是指彈丸及受噴 材料的楊氏模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度以及切線模量。
[0036] 如圖Ia及圖Ib所示，局部有限元模型包括四層半徑為R的彈丸1，以及從受噴材 料2上截取的以受噴面為頂面的正六面體，正六面體的頂面是與水平面平行、且邊長為6R 的正方形；正六面體的高度為2.Imm;彈丸排列方法如圖Ia及圖Ib所示的交錯排列，彈丸 第一層緊貼靶材并以第一層為參照系，第二層彈丸在第一層彈丸基礎(chǔ)上X及y方向分別平 移R，第三層彈丸在第二層彈丸的基礎(chǔ)上在X方向平移R，第四層彈丸在第三層彈丸基礎(chǔ)上 在X及y方向分別平移R，以達(dá)到以最少彈丸最大程度上模擬100%噴丸覆蓋的目的。
[0037] 采用有限元工具對局部有限元模型中的彈丸1及受噴材料2采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行 單元劃分，并且使彈丸1表面與受噴材料2受噴面的各六面體網(wǎng)格均大小一致，為保證后續(xù) 有限元分析結(jié)果的精度，受噴材料1受噴面上的六面體網(wǎng)格的頂面是邊長不大于0. 04R的 正方形，定義局部有限元模型中每個六面體網(wǎng)格所包絡(luò)的體積為一個單元；
[0038] 采用有限元工具對接觸進(jìn)行定義，定義接觸類型為"侵蝕"；
[0039] 采用有限元工具對邊界進(jìn)行設(shè)置，使彈丸及受噴材料的豎直面進(jìn)行對稱面設(shè)置； 為減少邊界對模擬效果的影響，設(shè)置受噴材料除受噴面之外的其它面為非反射邊界；
[0040] 采用有限元工具對受噴材料2進(jìn)行固定約束；
[0041] 采用有限元工具對彈丸施加初速度；初速度方向為豎直方向；
[0042] 完成有限元模型的建立；
[0043] 步驟2 :有限元分析
[0044] 根據(jù)工藝要求采用有限元工具為局部有限元模型中的彈丸及受噴材料的材料參 數(shù)、彈丸大小及初速度進(jìn)行賦值，利用有限元工具獲得受噴材料的各單元的殘余應(yīng)力σXX， 對殘余應(yīng)力σXX按如下方法進(jìn)行分析：
[0045]對具有相同深度的各單元的殘余應(yīng)力σXX進(jìn)行平均值計算獲得相應(yīng)深度上各單 元的平均殘余應(yīng)力，并通過描點法作圖，獲得各不同深度單元的平均殘余應(yīng)力的變化趨勢， 以及受噴材料中最大平均殘余應(yīng)力及其所在的深度；深度是指以受噴材料的受噴面為起 點，彈丸運(yùn)動方向為矢量的垂直距離。
[0046] 步驟3 :逐步回歸分析
[0047] 運(yùn)用正交實驗法安排工藝參數(shù)，工藝參數(shù)是指彈丸半徑、彈丸速度和彈丸強(qiáng)度，正 交實驗法為實驗參數(shù)安排常規(guī)方法。
[0048] 采用有限元工具設(shè)置每一組工藝參數(shù)，利用步驟2的有限元分析得出不同工藝參 數(shù)下受噴材料的最大平均殘余應(yīng)力。
[0049] 采用回歸分析得到最大平均殘余應(yīng)力關(guān)于工藝參數(shù)的最優(yōu)回歸方程；利用最優(yōu)回 歸方程確定噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)，回歸分析為數(shù)據(jù)處理常規(guī)方法。
[0050] 為了進(jìn)一步驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采用實驗的方法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。
[0051] 以選取304不銹鋼板材和304不銹鋼鋼丸噴丸強(qiáng)化處理的最佳工藝參數(shù)為例，按 如下步驟進(jìn)行：
[0052] 第1步：有限元模型的建立'
[0053] 首先建立實體模型：定義R為球體半徑，則受噴材料材料尺寸為6RX6RX2.1mm， 設(shè)置100%噴丸覆蓋，如圖1，彈丸第一層緊貼靶材并以第一層為參照系，第二層彈丸在第 一層彈丸基礎(chǔ)上X及y方向分別平移R，第三層彈丸在第二層彈丸的基礎(chǔ)上在X方向平移R， 第四層彈丸在第三層彈丸基礎(chǔ)上在X及y方向分別平移R，對實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型 單元選用S0LIR164顯式動力分析單元，碰撞區(qū)域網(wǎng)格加密設(shè)置，碰撞區(qū)域為4RX4R。為了 降低單元數(shù)量和節(jié)省計算時間，在建立模型時取噴丸板材和彈丸的對稱性建立四分之一模 型作為有限元模擬噴丸處理的模型，網(wǎng)格劃分除碰撞區(qū)域外設(shè)置為越來越稀疏，如圖2所 不O
[0054] 考慮受噴材料尺寸對模擬效果的影響，在受噴材料側(cè)面施加非反射邊界條件；XOZ 面及YOZ面為對稱面，在這兩個面上施加對稱邊界條件；在底面施加固定約束以減小震蕩。 為了提高模擬的真實可靠性，對受噴材料和彈丸材料采用分段線性材料模型，即運(yùn)用數(shù)組 的方式分段線性擬合真實的應(yīng)力應(yīng)變曲線。304不銹鋼主要化學(xué)成分如表1，噴丸模型材料 參數(shù)如表2。
[0055] 表1主要化學(xué)成分
[0056]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法，其特征是按如下步驟進(jìn) 行： 步驟1:建立有限元模型 利用彈丸及受噴材料的材料屬性對彈丸及受噴材料建立局部有限元模型，以所述局部 有限元模型模擬整個噴丸過程，并采用非反射邊界條件、對稱面和固定約束減小邊界對于 模擬效果的影響；所述彈丸及受噴材料的材料屬性是以材料參數(shù)進(jìn)行表征，所述材料參數(shù) 是指彈丸及受噴材料的楊氏模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度以及切線模量； 所述局部有限元模型包括四層半徑為R的彈丸，以及從受噴材料上受噴面上截取的以 受噴面為頂面的正六面體，所述正六面體的頂面是與水平面平行、且邊長為6R的正方形； 所述正六面體的高度為2. 1mm ; 采用有限元工具對所述局部有限元模型中的彈丸及受噴材料采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行單 元劃分，并且使彈丸表面與受噴材料受噴面的各六面體網(wǎng)格均大小一致，所述受噴材料受 噴面上的六面體網(wǎng)格的頂面是邊長不大于0. 04R的正方形，定義所述局部有限元模型中每 個六面體網(wǎng)格所包絡(luò)的體積為一個單元； 采用所述有限元工具對接觸進(jìn)行定義，定義接觸類型為"侵蝕"； 采用所述有限元工具對邊界進(jìn)行設(shè)置，使彈丸及受噴材料的豎直面進(jìn)行對稱面設(shè)置； 并設(shè)置所述受噴材料除所述受噴面之外的其它面為非反射邊界； 采用所述有限元工具對受噴材料進(jìn)行固定約束； 采用所述有限元工具對彈丸施加初速度；所述初速度方向為豎直方向； 完成有限兀t旲型的建立； 步驟2 :有限元分析 根據(jù)工藝要求采用所述有限元工具為所述局部有限元模型中的彈丸及受噴材料的材 料參數(shù)、彈丸大小及初速度進(jìn)行賦值，利用所述有限元工具獲得受噴材料的各單元的殘余 應(yīng)力〇 XX，對所述殘余應(yīng)力〇 XX按如下方法進(jìn)行分析： 對具有相同深度的各單元的殘余應(yīng)力0 XX進(jìn)行平均值計算獲得相應(yīng)深度上各單元的 平均殘余應(yīng)力，并通過描點法作圖，獲得各不同深度單元的平均殘余應(yīng)力的變化趨勢，以及 受噴材料中最大平均殘余應(yīng)力及其所在的深度；所述深度是指以受噴材料的受噴面為起 點，彈丸運(yùn)動方向為矢量的垂直距離； 步驟3:逐步回歸分析 運(yùn)用正交實驗法安排工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)是指彈丸半徑、彈丸速度和彈丸強(qiáng)度； 采用所述有限元工具設(shè)置每一組工藝參數(shù)，利用步驟2所述的有限元分析得出不同工 藝參數(shù)下受噴材料的最大平均殘余應(yīng)力； 采用回歸分析得到最大平均殘余應(yīng)力關(guān)于所述工藝參數(shù)的最優(yōu)回歸方程；利用所述最 優(yōu)回歸方程確定噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK104484538SQ201410848826
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】趙韓, 朱仁勝, 張月, 周隱, 孫程, 劉四洋, 沈健 申請人:滁州汽車與家電技術(shù)及裝備研究院, 合肥工業(yè)大學(xué)