CN109359365B - 一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，步骤为：(1)建立靶材有限元模型并进行区域划分，靶材表面分为4个区域，从内到外分别为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。(2)确定靶材模型尺寸，靶材模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，最大残余应力值几乎不发生变化。(3)建立弹丸束生成算法，利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程，首先给定弹丸生成位置的算法，同时给定弹丸的参数。(4)建立喷丸强度的计算方法，利用喷丸强化之后的残余应力分布计算弧高值，进而计算喷丸强度的大小。

Description

一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法

技术领域

本发明是一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，它是一种能够将喷丸强化过程中弹丸尺寸、速度大小与方向等因素分布的随机性考虑进去的喷丸工艺的模拟方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

航空发动机涡轮部件是航空发动机限寿件，其服役环境是高温、高压、高转速的极端服役环境，易于产生疲劳失效现象，而且一旦疲劳失效，引起的后果十分严重。喷丸强化技术是涡轮盘、叶等部件常用的处理工艺，其基本原理是利用高速弹丸流喷射靶材，使弹丸与材料表层发生碰撞，改变表面形貌产生可控的塑性变形，并在材料表面引入残余压应力和组织强化效果，提高材料抗疲劳性能，为了寿命计算的精度，必须准确模拟喷丸强化工艺过程。弹丸冲击的过程往往具有一定的随机性，包括弹丸的尺寸、速度大小与方向。一般的模拟方法通常不考虑弹丸的随机效应，这样往往会带来很大的误差，影响模拟的精度。因此需要建立能够考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，提高数值模拟的精度，更好的服务于喷丸工艺参数设计。

现有文献“李源,雷丽萍,曾攀.弹丸束喷丸有限元模型数值模拟及试验研究[J].机械工程学报,2011,47(22):43-48.”通过ABAQUS有限元软件对喷丸强化过程进行了研究，在设计弹丸生成算法的时候考虑了用少量弹丸模拟大量弹丸随机碰撞的问题，同时针对弹丸的各个参数对强化效果的影响因素进行了研究。但是没有考虑弹丸尺寸、速度大小、速度方向的随机性。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，利用代表性体积单元方法模拟喷丸强化工艺，能够充分地反应喷丸冲击强化过程中弹丸存在的随机效应，提高喷丸强化工艺过程数值模拟的精度，更好的服务于喷丸工艺参数设计。

本发明技术解决方案：一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，根据喷丸强化的对象选取代表性体积单元，弹丸生成的算法中考虑弹丸尺寸、速度大小以及方向存在的随机性，充分反应实际喷丸过程弹丸存在随机效应的特点，建立喷丸强化数值模拟与工艺参数之间的联系，实现喷丸强化的准确模拟。实现步骤如下：

第一步，建立靶材有限元模型并进行区域划分；基于大型商用有限元软件ABAQUS中建立靶材模型。靶材模型参考根据目前工业常用A型阿门试片。靶材表面分为4个区域，从内到外分为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。考核区为残余应力、粗糙度结果的考核区域；冲击区为弹丸束冲击区域，即所有弹丸的圆心被限制在该区域中；过渡区为包裹着冲击区的过渡区域；最外面为无限元区，防止应力波回弹。

第二步，对模型尺寸确定；喷丸工艺代表性体积元模型的核心观点就在于通过一个较小尺寸的模型代替实际喷丸工艺过程，因此为了保证代表性体积元模型的有效性，需对不同形状模型的最小尺寸进行确定。模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，残余应力大小几何不发生变化。

第三步，建立弹丸生成算法；根据所需要模拟的喷丸覆盖率，利用Avrami公式预估所需要弹丸的个数。利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程。算法首先给定弹丸生成位置的算法，通过限制后续弹丸中心生成方法，以控制弹丸冲击到靶材上的弹坑不会发生重叠。生成的弹丸束可有效保证靶材冲击区域表面均被弹丸冲击到。同时给定弹丸的几何参数，假定弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布情况均满足正态分布。在弹丸位置处生成不同大小的弹丸，同时被赋予不同的弹丸速度大小与速度角度。至此完成弹丸生成的步骤。

第四步，建立喷丸强度的计算方法；根据国际通用的确定喷丸强度的弧高测试法，利用喷丸强化之后的残余应力分布计算弧高值，通过提取代表性体积单元靶材模型在冲击的不同时刻沿表面与厚度方向的残余应力分布，代入到相应的计算公式中，即可计算不同时刻对应的弧高值，进而计算喷丸强度的大小。

所述步骤(1)中，靶材最外面为无限元区设置无限单元类型，使用无限单元作为反射边界，边界将无应力波反射，防止在边界上产生的应力波反射重新进入模型，从而导致结果不正确。

所述步骤(3)中，弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布满足正态分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在建立弹丸生成算法的时候考虑了弹丸的随机效应，所生成的弹丸被赋予了不同的弹丸尺寸、弹丸速度大小与弹丸方向，更加符合实际喷丸工艺中的弹丸实际情况。现有的模拟方法通常不考虑弹丸的随机效应，而是赋予弹丸固定的参数，难以准确模拟实际喷丸过程。

(2)本发明建立的代表性体积单元靶材模型分为4个区域，从内到外分为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。喷丸效果考核的区域与冲击区域分开，无限元区域可防止应力在模型边界的反射，保证喷丸模拟的准确性。现有的模拟方法通常不考虑区域划分的问题，模拟效果难以令人满意。

附图说明

图1是一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法流程图；

图2是靶材有限元网格划分图；

图3不同模型尺寸下残余应力随弹丸密度的关系图；

图4为弹丸生成算法的流程图；

图5为弹丸45o斜冲击喷丸有限元模型。

具体实施方式

下面结合附图，通过举例，对本发明一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明具体实现如下：

第一步，建立靶材有限元模型并进行区域划分；在大型商用有限元软件ABAQUS中建立靶材模型。靶材模型参考根据目前工业常用A型阿门试片，厚度与A型阿门试片的厚度相同，取为1.29mm。随后根据所研究的材料赋予材料属性，由于喷丸过程是一个应变率很高的过程，因此选取可以有效描述材料在高应变率下应力应变关系的Johnson-Cook(J-C)模型。J-C模型的表达式为：

式中，σ_eq为流动应力，A、B、C和m为材料常数，n是加工硬化系数，ε^*为标准化后的有效塑性应变率，T为温度，T_melt为熔点，T_r为室温，T_r＝298K，ε为等效塑性应变。

靶材表面分为4个区域，从内到外分为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。靶材网格划分结果如图2所示，考核区为残余应力、粗糙度结果的考核区域；冲击区为弹丸束冲击区域，即所有弹丸的圆心被限制在该区域中，冲击区域长宽的比例与A型阿门试片相同，长宽比为4:1；过渡区为包裹着冲击区的过渡区域，采用由小到大的网格进行划分；最外面为无限元区，使用无限单元作为反射边界，边界将无应力波反射，防止在边界上产生的应力波反射重新进入模型，从而导致结果不正确。在本发明实施例中，无限元区的网格为无限单元CIN3D8，靶材其余区域为六面体减缩积分单元C3D8R，对冲击区域网格细分，网格尺寸为0.05mm×0.05mm×0.05mm，靶材底面进行位移全约束。冲击区域与过渡区域设置沙漏控制。

第二步，对模型尺寸确定；喷丸工艺代表性体积元模型的核心观点就在于通过一个较小尺寸的模型代替实际喷丸工艺过程，因此为了保证代表性体积元模型的有效性，需对不同形状模型的最小尺寸进行确定。模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，残余应力大小几乎不发生变化。本发明实施例中假定弹丸尺寸d＝1mm，并以此为基准，不断增大模型尺寸，分别计算了短边的边长a＝0.5d、1.0d、1.5d和2.0d时的情况，发现当模型冲击区域短边长a＝d时，再增大尺寸残余应力最大值几乎不发生改变。图3是不同模型尺寸下残余应力最大值随弹丸数量增加的变化曲线，可以看出a＝d与a＝1.5d、a＝2d曲线几乎重合了。因此确定喷丸代表性体积元模型尺寸为短边为1mm，长边为4mm的长方形。确定冲击区大小之后，相应确定其他几个区域的尺寸。

第三步，建立弹丸束生成算法；由于钢弹丸相对喷丸靶材来说，强度、硬度都要高于板材，不会发生较大的变形，所以弹丸选用刚性体来模拟，以提高计算效率。根据所需要模拟的喷丸覆盖率，利用Avrami公式预估所需要弹丸的个数。本发明实施例中选择100％的喷丸覆盖率。Avrami公式如下：

Co％＝[1-exp(-A_r)]×100％

式中，Co％为喷丸覆盖率，A_r为单个弹丸冲击靶材后形成的弹坑面积与Region3区域面积的比值，A为冲击区域的面积，d₀为单个弹丸冲击形成弹坑的直径，N为弹丸个数。在本发明实施例中，用单丸粒即一个弹丸对靶材进行冲击，根据单丸粒冲击之后的位移场确定弹坑的直径。最终确定弹坑的直径为0.38mm。

如图4所示，利用ABAQUS/EXPLICIT的Python脚本语言对弹丸生成流程进行编程。由于真实喷丸工艺中弹丸数量较大(>10⁵)，可保证靶材表面被均匀冲击；但有限元模拟时的弹丸数量较少，这就可能导致出现弹丸未能均匀的冲击到靶材表面，而是集中在某一局部区域，其余区域未被冲击到的现象。为了解决这个问题，首先给定弹丸生成位置的算法，弹丸位置不是随机产生的，而是通过限制后续弹丸中心生成方法，以控制弹丸冲击到靶材上的弹坑不会发生重叠。生成的弹丸束可有效保证靶材冲击区域表面均被弹丸冲击到，算法的流程图如图3所示，根据上述流程生成的弹丸束可有效保证靶材冲击区域表面均被弹丸冲击到。同时给定弹丸的几何参数，假定弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布情况均满足正态分布。在弹丸位置处生成不同大小的弹丸，同时被赋予不同的弹丸速度大小与速度角度。至此完成弹丸生成的步骤。如图5所示，在本发明实施例中，弹丸取半球形状，密度取真实材料的一半，用以减少网格数量节约计算时间。弹丸平均速度取90m/s，弹丸冲击角度平均为45o斜冲击，弹丸网格类型为六面体减缩积分单元C3D8R，弹丸与靶材之间设置为面面接触，摩擦系数设置为0.3。假设弹丸尺寸d分布满足正态分布d～N(1,0.01)，弹丸速度v分布满足v～N(90,1)，冲击角度θ满足θ～N(45,1)，图5产生的有限元模型示意图，从图5中可以看出，半球形状的弹丸对靶材以45o进行斜冲击。

第四步，建立喷丸强度的计算方法；根据国际通用的确定喷丸强度的弧高测试法，利用喷丸强化之后的残余应力分布计算弧高值，通过提取代表性体积单元靶材模型在冲击的不同时刻沿表面与厚度方向的残余应力分布，代入公式：

F＝∫_Sσ_x(z)dS M＝∫_Sσ_x(z)zdS

式中，σ_x(z)为喷丸引入距上表面距离为z的x方向残余应力，S为横截面面积。进而计算弧高值为：

式中H为弧高值，M为弯矩，L为测量弧高值时相对宽度31.75mm，E为弹性模量，B为阿门试片宽度19.0mm，h为阿门试片的厚度，即可计算不同时刻对应的弧高值，弧高值先随着喷丸时间的增加而增加，随后趋于平缓，最后达到饱和点，由此可得该组喷丸工艺参数下饱和曲线。饱和点的定义为：在一倍于某一时刻的喷丸时间下，弧高值的增加量不超过该点弧高值的10％，则将该点定义为饱和点，其对应的弧高值即定义为该组喷丸工艺参数的喷丸强度进而计算喷丸强度的大小。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)建立喷丸对象即靶材有限元模型并进行区域划分；基于有限元软件中建立靶材模型，靶材模型参考根据目前工业常用A型阿门试片，靶材表面分为4个区域，从内到外分为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域；所述考核区是指靶材最里面的喷丸强化效果的考核区域；所述冲击区是指考核区外面的弹丸束冲击区域，即所有弹丸的圆心被限制在该区域中；所述过渡区是指包裹着冲击区的过渡区域；所述无限元区是指最外面区域网格类型是无限单元；

(2)在完成有限元模型区域划分以后，确定模型区域的几何尺寸，作为喷丸强化的靶材；模型尺寸是指靶材有限元模型的几何尺寸，模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，残余应力大小几乎不发生变化；所述弹丸密度是指弹丸数量与靶材模型冲击区域的面积之比；所述残余应力是指由于弹丸碰撞导致靶材发生塑性变形产生的残余应力；

(3)在完成靶材的构建之后，建立弹丸生成算法，根据所需要模拟的喷丸工艺参数覆盖率预估所需要弹丸的个数；所述覆盖率是指该表面被冲击到的区域与整个区域面积之比，所述建立弹丸生成算法的实现为，首先给定弹丸生成位置的算法，通过限制后续弹丸中心生成方法，以控制弹丸冲击到靶材上的弹坑不会发生重叠，生成的弹丸有效保证靶材冲击区域表面均被弹丸冲击到；同时给定弹丸的几何参数，确定弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布情况，在弹丸位置处生成不同大小的弹丸，同时被赋予不同的弹丸速度大小与速度角度，至此完成弹丸生成的步骤；

(4)基于上述喷丸模拟的结果，建立喷丸强度的计算方法，利用喷丸强化之后的残余应力分布计算弧高值，通过提取靶材模型在冲击的不同时刻沿表面与厚度方向的残余应力分布，代入到相应的计算公式中，即计算不同时刻对应的弧高值，从而计算喷丸强度的大小；所述弧高值是指标准化的弧高试片阿门试片用来测定喷丸强度的结果。

2.根据权利要求1所述的一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)中，靶材最外面为无限元区设置无限单元类型，使用无限单元作为反射边界，边界将无应力波反射，防止在边界上产生的应力波反射重新进入模型，从而导致结果不正确。

3.根据权利要求1所述的一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中，弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布满足正态分布。

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