CN104866652A - 一种基于abaqus的喷丸强化变形的有限元模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法。在ABAQUS动态显示中通过弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，利用弹丸撞击法模拟得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，然后将应力分布结果作为一种等效载荷以初始应力的形式输入到喷丸强化有限元模型，输入的过程中使用有限元软件ABAQUS提供的用户子程序SIGINI来定义初始应力场，该子程序可在有限元模型的特定区域定义初始应力，初始应力定义后采用ABAQUS的静态解算器对其进行求解，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况。为工艺参数的优化奠定基础。该模拟方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点,工程实际应用效果好。

Description

一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法

技术领域

本发明涉及喷丸强化有限元模拟技术领域，具体是一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法。

背景技术

喷丸强化技术是一种简单有效的材料表面强化手段，主要用于改善金属零件的抗疲劳性能和提高疲劳寿命，提高材料表面的强度和硬度等性能。喷丸强化基本原理是利用高速运动的弹丸流撞击金属材料的表面，使材料表面发生塑性变形，产生残余压应力，显著提高材料的抗疲劳性能、表面强度、耐应力腐蚀以及抗高温氧化性能，被广泛地应用于航空、航天领域。然而，喷丸强化技术带来以上诸多好处的同时也会引起零件的变形，尤其是非对称零件，由喷丸强化引起的零件变形将影响零件的后续装配对接。零件的喷丸强化变形是困扰零件后续装配对接的主要难题之一。

为了达到较好的喷丸强化效果，需要采用合理的喷丸强化工艺，而单靠喷丸试验的方法对喷丸工艺进行优化成本过高，往往消耗大量的人力和物力。一般采用有限元模拟的方法对喷丸工艺参数进行优化设计，而现有的基于弹丸模型的喷丸强化有限元模拟中，受到计算成本的限制，模拟喷丸强化中成千上万个弹丸反复撞击的过程是不可能的。文献“板加筋壁板零件的喷丸成形数值模拟与工艺优化”(西北工业大学，胡凯征)中，应用等效静态载荷温度场来模拟变形过程，将一个复杂的动态冲撞过程近似的转化为一个静态加载过程，并通过优化程序找到满足特定要求的喷丸工艺方案，从而可快速估量喷丸工艺参数以及喷丸成形整体效果，制定喷丸工艺优化方案，避免实际生产中常用的试错方法；根据给定的零件形状，通过反复施加温度场可模拟任何真实的喷丸强度，通过对温度场的优化得到零件目标外型。但是，该方法没有更好的建立起喷丸工艺参数与零件变形之间的关系，只能通过零件的目标外形反复调节温度场，反推喷丸工艺参数，反复迭代过程复杂，运算量大，而且不能用于通过不同工艺参数正向来预测零件变形。因此，需要一种将喷丸工艺参数和零件变形建立起关联的模拟方法。

发明内容

为了克服现有喷丸强化有限元模拟技术中的不足，本发明提出一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法。该模拟方法根据应力等效原理，通过弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，模拟得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，将应力分布结果作为一种等效载荷以初始应力的形式输入到喷丸强化有限元模型，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况，为工艺参数的优化奠定基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.喷丸强化残余应力有限元模拟；

在ABAQUS动态显示中通过弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，对一定尺寸的板料进行喷丸强化残余应力有限元模拟，获得喷丸强化后的残余应力分布；

(1)确定材料参数及计算弹丸平均速度；材料性能参数通过单向拉伸试验获得；通过喷丸强化残余应力有限元模拟得到残余应力分布结果，将残余应力分布作为一种等效载荷用于后续的喷丸强化变形模拟；针对气动式喷丸强化设备，有限元模拟中弹丸平均速度采用经验公式进行计算:

$v=\frac{163.5\×p}{1.53\×m+10\×p}+\frac{295\×p}{0.598\×d+10p}+48.3\×p---\left(\text{1}\right)$

公式(1)中，v为弹丸平均速度m/s，p为喷丸压力MPa，d为弹丸直径mm，m为弹丸流量kg/min；

(2)建立模型及网格划分；根据弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，使受喷试件的表面受到弹丸的冲击作用，以保证接近100％的喷丸覆盖率；在弹丸撞击区域采用局部细化网格方式划分单元；

(3)载荷设定及边界条件；在ABAQUS动态显示分析中通过定义弹丸的初始速度，模拟弹丸与受喷试件表面撞击过程中所产生的冲击载荷，试件模型四边设置有对称约束边界条件；

(4)提交分析作业及后处理；创建分析作业并提交分析进行计算，完成有限元计算后得到喷丸强化残余应力分布；

步骤2.喷丸强化变形有限元模拟；

在ABAQUS中基于应力等效原理建立喷丸强化变形有限元模型，将喷丸强化残余应力有限元模拟得到的残余应力分布结果作为一种等效载荷，以初始应力的形式写入有限元模型；

(1)建立模型及网格划分；采用壳单元代替实体单元进行建模，将具体零件各部分的厚度赋给壳单元模型；设定零件划分网格单元；

(2)载荷设定及边界条件；通过有限元软件ABAQUS提供的用户子程序SIGINI来定义初始应力场，该子程序在有限元模型的特定区域定义初始应力，以模型的节点坐标、网格单元编号或积分点为变量定义初始应力场；初始应力定义后采用ABAQUS的静态解算器对其进行求解，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况；

(3)提交分析作业及后处理；创建分析作业，然后在Job模块里设置编辑Job中General选项，读入SIGINI子程序并提交分析进行计算，完成有限元计算得到零件喷丸强化变形量。

有益效果

本发明提出的一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法。通过建立起喷丸工艺参数与零件变形之间的关系，通过给定的喷丸强化工艺参数正向来预测零件变形。本发明利用成熟的弹丸撞击法得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，将应力分布结果作为一种等效载荷以初始应力的形式写入有限元模型，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况，为工艺参数的优化奠定基础。避免实际生产中常用的喷丸试验方法所伴随的成本过高，消耗大量的人力和物力的问题；同时,避免了等效静态载荷温度场方法模拟中需要反复调节温度场，迭代过程复杂，运算量大的问题。该模拟方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点,工程实际应用效果好。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法作进一步详细说明。

图1为本发明基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法流程图。

图2为本发明中喷丸强化残余应力有限元模型。

图3为本发明中喷丸强化残余应力有限元模拟得到的残余应力情况。

图4为本发明中三层结构的复合材料常规壳单元模型示意图。

图5为本发明中喷丸强化变形有限元模型。

图6为本发明中应力曲线数据点离散处理示意图。

图7为本发明中不同喷丸顺序等效模拟流程图。

图8为本发明中喷丸强化变形模拟结果示意图。

具体实施方式

本实施例是一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法。

参阅图1～图4，本实施例中的零件为一种飞机缘条零件，中央翼和外翼对接的主要承力结构件，该零件结构复杂、工艺难度大，其喷丸后的状态对中央翼和外翼的装配对接具有关键的影响作用，缘条零件材料为2026-T3511铝合金。

(一)喷丸强化残余应力有限元模拟

在ABAQUS动态显示分析中,通过定义弹丸的初始速度来模拟弹丸与受喷试件表面撞击过程中所产生的冲击载荷，同时采用库仑摩擦模型来描述弹丸和受喷试件之间的接触情况，减少两接触面之间的切向运动，使计算得到的结果更加稳定；受喷试件单元类型为C3D8R，在弹丸撞击区域采用局部细化网格方式划分单元。在实际喷丸强化过程中，弹丸材料为铸钢，硬度较高，并且屈服强度及抗拉强度都很高，碰撞后变形很小。在有限元模拟过程中将弹丸约束成刚性体，并且忽略重力加速度的影响，接触前假定保持匀速运动，材料性能参数通过单向拉伸试验获得；通过喷丸强化残余应力有限元模拟得到残余应力分布结果，将残余应力分布作为一种等效载荷用于后续的喷丸强化变形模拟。

第一步:确定材料参数及计算弹丸平均速度；受喷试件的材料室温力学性能参数由单向拉伸试验获得，试件的具体尺寸参考国家标准《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》设计得到，单拉试件加工完后,采用CSS-44100电子万能试验机在常温下进行单向拉伸试验，得到受喷试件的材料力学性能参数，采用库仑摩擦模型来描述弹丸和板材之间的接触，以减少两接触面的切向运动，使计算结果更加稳定，摩擦系数定为0.2。以缘条零件的材料2026-T3511铝合金为例，材料密度2770kg/m³，泊松比0.33，实验得到的弹性模量为71.53GPa，屈服强度为351.75MPa，断裂强度为583.82MPa。

针对气动式喷丸强化设备，有限元模拟中使用的弹丸平均速度采用经验公式进行计算。将喷丸压力、弹丸流量及弹丸直径参数代入公式计算得到弹丸平均速度:

$v=\frac{163.5\×p}{1.53\×m+10\×p}+\frac{295\×p}{0.598\×d+10p}+48.3\×p---\left(\text{1}\right)$

公式(1)中，v为弹丸平均速度m/s，p为喷丸压力MPa，d为弹丸直径mm，m为弹丸流量kg/min。

本实施例中，采用动式喷丸强化设备，设备型号为Pr Trat 4G7 4Sm，取两种喷丸工艺参数，第一种情况，弹丸流量为10kg/min，弹丸直径为0.58mm，喷丸压力为0.15MPa；第二种情况，弹丸流量为10kg/min，弹丸直径0.58mm，喷丸压力为0.25MPa。由上述公式计算得到第一种情况的弹丸平均速度为32.66m/s，第二种情况的弹丸平均速度为40.28m/s。

第二步:建立模型及网格划分；根据弹丸撞击法建立一种13个弹丸喷丸强化残余应力有限元模型，使得受喷试件的表面近乎处处受到弹丸的冲击作用，以保证接近100％的喷丸覆率；将13个弹丸分4排放置，每排球心所在平面间距为一倍球的直径，以同样的速度依次撞击试件表面，受喷试件为长方体。在Property模块中输入材料参数的具体数值，将材料单向拉伸曲线处理后得到的材料硬化曲线，取离散点后输入到Property模块中的Material，然后由ABAQUS自行插值拟合，模型截面属性选用实体单元Homogeneous类型。在弹丸撞击区域采用局部细化网格方式划分单元，设定试件单元类型为C3D8R。

第三步:载荷设定及边界条件；在ABAQUS动态显示分析中,通过定义弹丸的初始速度来模拟弹丸与受喷试件表面撞击过程中所产生的冲击载荷，在initial分析步中定义Predefined field，对弹丸参考点的Velocity选项设置通过计算得到的弹丸平均速度的具体数值。试件模型四边设置对称约束边界条件。

第四步:提交分析作业及后处理；创建分析作业并提交分析进行计算，完成有限元计算后得到喷丸强化残余应力分布。

(二)喷丸强化变形有限元模拟

在ABAQUS中基于应力等效的原理建立喷丸强化变形有限元模型，将喷丸强化残余应力有限元模拟得到的残余应力分布结果作为一种等效载荷以初始应力的形式写入有限元模型；由于有限元软件ABAQUS可方便的给一个复合材料板定义多个材料层，并分别定义各层的属性，材料模型采用一种三层结构的复合材料常规壳单元模型，第一层和第三层用于写入初始应力，而中间的第二层用于调整板料的厚度，材料性能参数通过单向拉伸试验获得，该模型厚度的调整可通过ABAQUS提供的多种方式对模型的厚度进行定义，进而调整中间层的厚度，可方便的模拟不同厚度板料的喷丸强化过程，这种等效方式基于复合材料常规壳单元模型，模拟喷丸工艺的力学特点，采用常规壳单元有效的提高了计算效率。通过有限元软件ABAQUS提供的用户子程序SIGINI来定义初始应力场，该子程序在有限元模型的特定区域定义初始应力，以模型的节点坐标、网格单元编号或积分点为变量定义初始应力场；初始应力定义结束后采用ABAQUS的静态解算器对其进行求解，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况。

第一步:建立模型及网格划分；采用壳单元代替实体单元进行建模，将具体零件各部分的厚度赋给壳单元模型；以弧形带立筋结构的缘条零件为例，零件分为腹板和立筋两部分，提取腹板的上表面和立筋的侧面进行组合得到零件的壳体模型，将得到的零件壳体模型导入ABAQUS中，腹板壳单元和立筋壳单元采用ABAQUS软件自身提供的Tie方式组合到一起。在Property模块中定义模型的截面属性为常规壳单元，在Property模块中输入材料参数的具体数值，将材料单向拉伸曲线处理后得到的材料硬化曲线，取离散点后输入到Property模块中的Material，然后由ABAQUS自行插值拟合，通过ABAQUS提供的厚度场定义方法进行壳单元厚度场定义，采用三层结构的复合材料常规壳单元模型，外侧两个分层用来定义初始应力场，中间层用于调整模型的厚度；为了提高计算精度，模型每一层的辛普森积分点设置为15个。零件分为腹板和立筋两部分分别划分网格，设定零件网格单元类型为S4R。

第二步:载荷设定及边界条件；使用有限元软件ABAQUS提供的用户子程序SIGINI来定义初始应力场，该子程序可在有限元模型的特定区域定义初始应力，以模型的节点坐标、网格单元编号或积分点为变量定义初始应力场，下面给出SIGINI用户子程序接口。

在上述用户子程序中，通过变量LAYER来定义初始应力场在模型中所在的层数；通过变量NOEL来定义模型中的单元编号；通过变量KSPT来定义当前层内积分点数；通过变量COORDS来定义节点的初始坐标；通过变量SIGMA来定义初始应力的幅值。为了在整个计算过程确定零件的基准位置，约束第一个点的x、y、z三个方向的自由度，约束第二个点的y、z两个方向的自由度，约束第三个点z方向的自由度。这种约束方式即不影响零件的弯曲变形，又可确定零件的基准位置，便于分析数值模拟结果；如图5所示。

以喷丸强化残余应力有限元模拟得到的残余应力分布作为计算初始应力，对进行计算初始应力曲线进行离散处理得到所需要的数据点，数据点沿深度方向等距分布。将得到的数据点上的压应力值赋给需要用来定义初始应力场的两个分层的积分点上，而两个分层的厚度即为计算初始应力中压应力的深度。本实施例中，腹板取第二种喷丸工艺参数模拟得到的残余应力分布，立筋取第一种喷丸工艺参数模拟得到的残余应力分布，如图6所示。

以缘条零件为例，喷丸处理过程无法采用一步喷丸完成，需考虑不同喷丸顺序对零件喷丸效果的影响，第一种情况为在喷丸过程中采用先喷丸处理腹板，接着喷丸处理立筋的喷丸顺序；第二种情况为在喷丸过程中采用先喷丸处理立筋，接着喷丸处理腹板的喷丸顺序。本实施例针对不同喷丸顺序等效模拟的解决思路，是将上一步计算得到的模拟结果中的单元应力按单元积分点输出到txt文件中，同时将计算得到变形后的零件模型导出，同时，得到第一步计算完成后零件的形状和其单元应力；建立新的cae分析模型，并将变形后的零件模型导入到新建立的cae分析模型中，将导出的变形后的零件单元应力与后续要施加的初始应力进行叠加，作为新的初始应力通过SIGINI用户子程序写入新建立的cae分析模型，提交计算，进而完成不同喷丸顺序的等效模拟。本实施例中，喷丸顺序采用第一种情况为在喷丸过程中采用先喷丸处理腹板，接着喷丸处理立筋的喷丸顺序。有限元模拟的流程如图7所示。

第三步:提交分析作业及后处理；创建分析作业，然后在Job模块里设置编辑Job中General选项，读入SIGINI子程序并提交分析进行计算，完成有限元计算后得到零件喷丸强化变形量。计算结果见图8所示。

本发明喷丸强化变形的模拟方法，很好地建立起喷丸工艺参数与零件变形之间的关系，通过给定的喷丸强化工艺参数正向来预测零件变形，对于实际的喷丸过程参数的选择具有重要的指导意义。

Claims (1)

1.一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.喷丸强化残余应力有限元模拟；

在ABAQUS动态显示中通过弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，对一定尺寸的板料进行喷丸强化残余应力有限元模拟，获得喷丸强化后的残余应力分布；

(1)确定材料参数及计算弹丸平均速度；材料性能参数通过单向拉伸试验获得，通过喷丸强化残余应力有限元模拟得到残余应力分布结果，将残余应力分布作为一种等效载荷用于后续的喷丸强化变形模拟；针对气动式喷丸强化设备，有限元模拟中弹丸平均速度采用经验公式进行计算:

$v=\frac{163.5\×p}{1.53\×m+10\×p}+\frac{295\×p}{0.598\×d+10p}+48.3p---\left(1\right)$

公式(1)中，v为弹丸平均速度m/s，p为喷丸压力MPa，d为弹丸直径mm，m为弹丸流量kg/min；

(2)建立模型及网格划分；根据弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，使受喷试件的表面受到弹丸的冲击作用，以保证接近100％的喷丸覆盖率；在弹丸撞击区域采用局部细化网格方式划分单元；

(3)载荷设定及边界条件；在ABAQUS动态显示分析中通过定义弹丸的初始速度，模拟弹丸与受喷试件表面撞击过程中所产生的冲击载荷，试件模型四边设置有对称约束边界条件；

(4)提交分析作业及后处理；创建分析作业并提交分析进行计算，完成有限元计算后得到喷丸强化残余应力分布；

步骤2.喷丸强化变形有限元模拟；

在ABAQUS中基于应力等效原理建立喷丸强化变形有限元模型，将喷丸强化残余应力有限元模拟得到的残余应力分布结果作为一种等效载荷，以初始应力的形式写入有限元模型；

(1)建立模型及网格划分；采用壳单元代替实体单元进行建模，将具体零件各部分的厚度赋给壳单元模型；设定零件划分网格单元；

(2)载荷设定及边界条件；通过有限元软件ABAQUS提供的用户子程序SIGINI来定义初始应力场，该子程序在有限元模型的特定区域定义初始应力，以模型的节点坐标、网格单元编号或积分点为变量定义初始应力场；初始应力定义后采用ABAQUS的静态解算器对其进行求解，得到零件在给定的初始应力作用下的变形情况；

(3)提交分析作业及后处理；创建分析作业，然后在Job模块里设置编辑Job中General选项，读入SIGINI子程序并提交分析进行计算，完成有限元计算得到零件喷丸强化变形量。