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噴丸強(qiáng)化是將大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸噴射到零件表面上，使零件表層和次表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的一種技術(shù)。目前，噴丸強(qiáng)化工藝廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、核動(dòng)力、兵器、石油、煤炭、化工、機(jī)車(chē)、工程機(jī)械、汽輪機(jī)、農(nóng)機(jī)、塑料模具等眾多工業(yè)部門(mén)。
噴丸強(qiáng)化機(jī)制是在金屬表層形成殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，因此分析噴丸工藝與表層殘余壓應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，了解噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)提高噴丸工藝水平和金屬抗應(yīng)力腐蝕能力是十分重要的。為了獲得較好的金屬表面殘余應(yīng)力分布，研究人員需要考慮大量噴丸參數(shù)。如果對(duì)每一個(gè)參數(shù)都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，不僅實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，工作量大，而且各種參數(shù)之間的相互影響和關(guān)系很難在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中得以體現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)和有限元分析技術(shù)的飛速發(fā)展，借助于有限元數(shù)值分析方法來(lái)分析噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分布，已經(jīng)成為一種重要的研究手段。
在有限元分析中，只要合理的設(shè)置各個(gè)參數(shù)，就可以對(duì)彈丸高速撞擊靶材進(jìn)行較為真實(shí)的模擬。Hardy等人首次采用了有限元方法來(lái)求解剛性球撞擊彈塑半空間體的問(wèn)題。Albaid進(jìn)一步將動(dòng)態(tài)彈塑性有限元方法應(yīng)用到噴丸誘導(dǎo)殘余應(yīng)力分布的模擬中。Mori等人運(yùn)用動(dòng)態(tài)粘彈性有限元方法模擬塑性球撞擊靶材的過(guò)程。由于以上學(xué)者在對(duì)噴丸過(guò)程進(jìn)行有限元模擬時(shí)，受到計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，對(duì)材料模型在很大程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致最終的分析結(jié)果可靠性欠佳。Edberg等人是第一個(gè)應(yīng)用商用有限元軟件LS-DYNA對(duì)噴丸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的，他們分別模擬了單丸粒撞擊粘塑性和彈塑性材料的噴丸過(guò)程。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的飛速發(fā)展，Hassani等人對(duì)單個(gè)彈丸撞擊靶材進(jìn)行了有限元模擬，并研究了不同角度彈丸撞擊對(duì)靶材殘余應(yīng)力分布所產(chǎn)生的影響。Deslaef和Rouhaud分別對(duì)單丸粒和多丸粒撞擊靶材進(jìn)行了有限元模擬，并同時(shí)考慮了剛性球和塑性球?qū)Π胁臍堄鄳?yīng)力場(chǎng)分布的影響。隨后Meguid等人采用有限元方法對(duì)噴丸過(guò)程進(jìn)行了更加系統(tǒng)的研究，他們對(duì)單丸粒和多丸粒撞擊靶材進(jìn)行了動(dòng)態(tài)有限元模擬。以上這些學(xué)者雖然考慮了一些參數(shù)對(duì)于噴丸效果的影響，但是對(duì)這些參數(shù)的研究并不全面。
本文應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元模擬，建立模擬單個(gè)彈丸撞擊靶材的有限元模型，對(duì)單元類(lèi)型和材料模型的選取、網(wǎng)格劃分等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索。本文首先對(duì)單丸粒撞擊靶材的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，然后再針對(duì)其它噴丸參數(shù)對(duì)靶材殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響進(jìn)行更深入的研究，歸納噴丸強(qiáng)化殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的特征，并尋找特征參數(shù)之間的規(guī)律性。根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，可對(duì)噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，提高噴丸強(qiáng)化的加工工藝水平，以實(shí)現(xiàn)更好的噴丸效果。
本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ABAQUS 6. 9Explicit建立彈丸撞擊靶材的三維有限元模型。噴丸過(guò)程是接觸和碰撞問(wèn)題，屬于最困難的非線性問(wèn)題之一，因?yàn)樵诮佑|和碰撞問(wèn)題中的響應(yīng)是不平滑的。在發(fā)生碰撞時(shí)，垂直于接觸界面的彈丸速度是瞬時(shí)不連續(xù)的，因此選擇顯式時(shí)間積分更適合于求解動(dòng)態(tài)接觸一碰撞問(wèn)題。
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