CN115146555A - 高压水射流喷丸的模拟方法 - Google Patents

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郑世祺
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杨莹
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夏煜辰
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Abstract

本发明公开了一种高压水射流喷丸的模拟方法，包括：构建高压水射流喷丸的流体域和固体域；将流体域导入网格划分软件中并对流体域进行网格划分，将固体域导入静态结构分析；设置材料属性，并选择流体力学模型；设置其它关键参数；计算获得高压水射流喷丸作用下的流场信息；读取流场信息，输出靶体所受冲击最大时刻的压力文件；读入压力文件，将压力加载于靶体受冲击的表面；设置靶体材料，进行网格划分，设置相关参数进行求解；根据求解结果得到靶体受到高压水射流喷丸作用下，材料表面性能的变化。本发明能完整模拟高压水射流从入口冲击到靶向材料的全过程模型，可以实时监测流场中各个位置的物理信息。

Description

高压水射流喷丸的模拟方法
技术领域
本发明属于高压水射流的技术领域，具体涉及一种高压水射流喷丸的模拟方法。
背景技术
在机械工程材料行业中，零部件的使用寿命、可靠性以及产品的竞争性等一直是研究的重点。其中最关键的参数之一便是材料的疲劳强度，疲劳破坏也一直是零部件失效的主要形式。通常来说，改善零部件疲劳强度需要从改善材料表面性能角度进行研究，喷丸强化技术便是其中最有效的方式之一。喷丸工艺可以使材料表面产生塑性变形，提高材料表面的残余压应力，进而提高材料的疲劳性能以及抗应力腐蚀的能力。
高压水射流技术就是利用高压水发生装置，将水加压至几百个大气压以上，再通过有细小孔径的喷射装置转换为高速的微细"水射流"。这种"水射流"的速度极高，具有巨大的冲击能量，可以实现切割、清洗、喷丸和除锈等多种任务，其环保高效的特点，被广泛应用于航空航天、汽车、机械、煤矿等行业。高压水射流喷丸就是将高压水射流技术应用于材料表面的喷丸强化方面，以提高材料表面性能的工艺。
目前高压水射流喷丸技术在国外有着成熟的应用，国内由于技术等原因还处于发展阶段。近年来随着计算流体动力学(CFD)的发展，关于此类问题已不再局限于通过试验方法来研究，数值模拟技术作为一种成本更低的方案也已成为研究的主要手段之一。
目前科研人员常采用ABAQUS软件，将模型简化为一段高速高压水柱对靶向材料的冲击，利用CEL方法进行数值模拟。但是此方案仅能模拟一段小水柱的冲击，不能建立从高压水射流入口到靶体的完整模型。因此，研发一种能完整模拟高压水射流从入口冲击到靶向材料的全过程模型，具有重要的现实和未来意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种高压水射流喷丸的模拟方法，能完整模拟高压水射流从入口冲击到靶向材料的全过程模型，既可以实时监测流场中各个位置的物理信息，也可以得到更真实的结论。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高压水射流喷丸的模拟方法，包括如下步骤：
步骤一：构建高压水射流喷丸的流体域和固体域；
步骤二：对流体域进行网格划分，将固体域导入静态结构分析模块的几何结构模块中；
步骤三：设置流体域中的气、液两相材料及属性，建立流体输运方程；
步骤四：设置流体域的边界条件、选择计算方法和离散方法；
步骤五：调整瞬态计算的参数，获得高压水射流喷丸作用下的流场信息；
步骤六：读取流场信息，输出靶体所受冲击最大时刻的压力信息；
步骤七：将压力信息传输给静态结构分析模块，并将压力加载于靶体受冲击的表面；
步骤八：设置靶体材料，并对其进行网格划分，设置相应的边界条件，最后求解靶体受冲击的情况；
步骤九：根据步骤八求解的靶体受冲击情况，得到靶体受到高压水射流喷丸作用下，表面性能的变化。
进一步地，流体域包括喷嘴、射流核心区与冲击壁面，固体域包括靶体。
进一步地，步骤二中利用ICEM软件对流体域进行六面体结构网格划分，并对喷嘴和射流核心区域进行网格加密，再转换成非结构网格，并利用ANSYS-Workbench平台导入Fluent软件中。
进一步地，步骤三中的气相为空气，液相设置为可压缩液体，并采用Tait状态方程对其进行建模；其中，Tait方程是在等温条件下建立了液体密度与压力之间的非线性关系，其简化形式可以写为：
Figure BDA0003678516950000031
式中：
K＝K0+nΔp；
Δp＝p-p0；
式中，p0为参考压力；ρ0为参考压力下的液体密度；K0为参考压力下液体的弹性模量；n为密度指数；p为液体绝对压力；ρ为实际压力下的液体密度；K为实际压力下液体的弹性模量；Δp表示液体表压力。
进一步地，步骤三中，选择多相流模型、湍流模型和壁面函数，建立流体输运方程。
进一步地，多相流模型选择为VOF模型，湍流模型选择为k-ε模型，壁面函数选择为标准壁面函数SWF。
进一步地，步骤四中，边界条件设置为压力入口-压力出口，出口与外界相连；求解器设置为压力基求解器，压力-速度耦合算法采用SIMPLE分离算法，空间和时间离散格式为一阶迎风格式。
进一步地，步骤八具体包括：
利用瞬态结构分析中的网格划分功能，对靶体进行网格划分，设置全局网格尺寸，并对受冲击表面进行面加密；
将靶体底面固定，并加载外部压力数据至受冲击表面，然后对靶体的应力应变情况进行求解。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明实现了对高压水射流喷丸工艺流体域的仿真，具体地，本发明利用ANSYS-Workbench平台以及多相流流固耦合技术，将高压水射流喷丸中流体仿真与固体仿真进行了结合，建立了对高压水射流喷丸数值模拟的全过程模型；在流体仿真中，利用CFD数值模拟方法对高压水射流喷丸流体域进行分析，可以实时监测流场中各个位置的物理信息；在固体仿真中，可以实现与流体仿真的耦合，无需借助实验手段，便可得到更真实的结论。
附图说明
图1为本发明实施例高压水射流喷丸的模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例中高压水射流喷丸流体域和固体域的参数化模型示意图；
图3为本发明实施例中高压水射流喷丸流体域和固体域的三维模型示意图；
图4为本发明实施例中高压水射流喷丸流体域的六面体非结构网格示意图；
图5为本发明实施例中流体域截面液相体积分数云图；
图6为本发明实施例中高压水射流喷丸固体域的网格示意图；
图7为本发明实施例中靶体所受冲击载荷作用下的应力云图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例提供一种高压水射流喷丸的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：利用三维建模软件构建高压水射流喷丸的流体域和固体域；
该步骤中，利用Workbench平台内的SpaceClaim三维绘图软件绘制流体域和固体域的模型，二者之间受高压水射流冲击的表面为流固耦合交界面，压力数据将通过这个交界面从流体传递至固体，其参数化模型如图2所示；其中流体域主要包括喷嘴、射流核心区与冲击壁面三个部分，喷嘴直径d＝0.3mm，靶距s＝1mm。固体域为靶体，在本实施例中，其尺寸形状为直径30mm、高5mm的圆柱体；流体域和固体域的参数化模型如图2所示，两者的三维模型示意图如图3所示。
步骤二：利用Workbench平台，将流体域导入网格划分软件并对流体域进行网格划分，再将其导入至CFD软件中，此外，将固体域导入静态结构分析模块的几何结构模块中；
在该步骤中，利用Workbench平台，将三维流体域导入ICEM网格划分软件中，抑制固体域，仅对流体域进行网格划分；具体地，CFD软件为Fluent，利用ICEM软件对流体域进行六面体结构网格划分，并对喷嘴和射流核心区域进行网格加密，再转换成非结构网格，如图4所示，并利用ANSYS-Workbench平台导入Fluent软件中；
通过Workbench平台将三维模型数据导入静态结构分析中，并抑制流体域。
步骤三：设置流体域中的气、液两相材料及属性，并选择多相流模型、湍流模型和壁面函数，从而建立流体输运方程；
流体域内涉及气、液两相，气相为空气，液相为水；在本实施例中，设置空气密度为1.225kg/m3，粘度为1.7894×10-5kg/(m·s)；水设置为可压缩液体，并采用Tait状态方程对其进行建模，Tait方程的简化形式可以写为：
Figure BDA0003678516950000051
式中：K＝K0+nΔp；Δp＝p-p0；
其中：p0为参考压力，取值101325Pa；ρ0为参考压力下的液体密度，取值998.2kg/m3；K0为参考压力下液体的弹性模量，取值2.2×109Pa；n为密度指数，取值7.15；p为液体绝对压力；ρ为实际压力下的液体密度；K为实际压力下液体的弹性模量；Δp表示液体表压力。水的粘度设置为0.001003kg/(m·s)；
多相流模型选择为VOF模型，湍流模型选择为Standard k-ε模型，壁面函数选择为标准壁面函数(SWF)，建立流体输运方程；
其中，液相体积分数的连续性方程和多相流的动量方程为：
Figure BDA0003678516950000061
Figure BDA0003678516950000062
其中，t是时间；ρl是液相水的密度；αl是待求解的液相水体积分数；Ul是液相水在流场中的速度；ρ是气液混合相密度；U是气液混合相速度；μ是湍流项动力粘度系数；g是重力加速度；F是体积力；。
湍流模型的输运方程组为：
Figure BDA0003678516950000063
Figure BDA0003678516950000064
式中，μt是涡流粘度，其计算式为：
Figure BDA0003678516950000065
其中：t是时间；ρ是气液混合相密度；k是湍流动能；ε是湍流耗散率；U是流体速度；μ是湍流项动力粘度系数；Sk、Sε是自定义源项；Gk是由于层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb是由于浮力而产生的湍流动能；YM是在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ是模型常量，其值分别为1.44，1.92，1，0.09；σk、σε分别为k和ε的Prandtl数，其值分别为1.0，1.3。
步骤四：设置流体域的边界条件、选择计算方法和离散方法；
依据相关文献边界条件设置为压力入口-压力出口，参考压力设置为101325Pa，入口表压设置为60MPa，出口与外界相连，表压设置为0MPa。求解器设置为压力基求解器，压力-速度耦合算法采用SIMPLE分离算法，空间和时间离散格式为一阶迎风格式。
步骤五：调整瞬态计算的参数，获得高压水射流喷丸作用下的流场信息；
在本实施例中，瞬态计算的收敛残差设置为0.001，时间步长为1×10-7s，迭代时间步数设为100，每时间步最大迭代步数设置为50，求解可得到高压水射流经过喉管冲击到材料表面的云图，如图5所示。
步骤六：利用CFD-Post软件读取流场信息，输出靶体所受冲击最大时刻的压力文件；
在本实施例中，利用Workbench平台内的CFD-Post后处理软件读取在Fluent软件中计算得到的高压水射流喷丸流场参数，并将流体域中的壁面所受冲击载荷文件导出，文件格式为*.axdt文件。
步骤七：利用Workbench中的外部数据软件读入压力文件，并传输给静态结构分析模块，再将压力加载于靶体受冲击的表面；
在本实施例中，通过Workbench平台内的外部数据软件可以读取步骤七中壁面所受冲击载荷的*.axdt格式文件，其中几何模型数据已在步骤二中被导入，再设置固定支撑，即可对模型进行求解。
步骤八：设置靶体材料，并对其进行网格划分，设置相应的边界条件，最后求解；
本实例的固体材料选用Al6061-T6，材料属性：密度为2900kg/m3，杨氏模量为69GPa，泊松比为0.33；
利用Workbench瞬态结构分析中的mesh网格划分功能，对靶体进行网格划分，设置全局网格尺寸为0.5mm，并对受冲击表面进行面加密，最终得到的网格节点数为2538659，如图6所示；
设置的边界条件为：将靶体底面固定、并加载外部压力数据至受冲击表面，根据网格划分结果和设置的边界条件，然后对靶体的应力应变等情况进行求解。
步骤九：基于多相流流固耦合仿真结果，得到靶体在高压水射流喷丸作用下，表面性能的变化。在本实施例中，靶体所受冲击载荷作用下的等效应力云图如图7所示。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：构建高压水射流喷丸的流体域和固体域；
步骤二：对流体域进行网格划分，将固体域导入静态结构分析模块的几何结构模块中；
步骤三：设置流体域中的气、液两相材料及属性，建立流体输运方程；
步骤四：设置流体输运方程的边界条件、选择计算方法和离散方法；
步骤五：调整瞬态计算的参数，获得高压水射流喷丸作用下的流场信息；
步骤六：读取获得的流场信息，输出靶体所受冲击最大时刻的压力信息；
步骤七：再将压力信息传输给静态结构分析模块，并将压力加载于靶体受冲击的表面；
步骤八：设置靶体材料，并对其进行网格划分，设置相应的边界条件，最后求解靶体受冲击的情况；
步骤九：根据步骤八求解的靶体受冲击情况，得到靶体受到高压水射流喷丸作用下，表面性能的变化。
2.根据权利要求1所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，流体域包括喷嘴、射流核心区与冲击壁面，固体域包括靶体。
3.根据权利要求2所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，步骤二中利用ICEM软件对流体域进行六面体结构网格划分，并对喷嘴和射流核心区域进行网格加密，再转换成非结构网格，并利用ANSYS-Workbench平台导入Fluent软件中。
4.根据权利要求1所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，步骤三中的气相为空气，液相设置为可压缩液体，并采用Tait状态方程对其进行建模；其中，Tait方程是在等温条件下建立了液体密度与压力之间的非线性关系，其简化形式可以写为：
Figure FDA0003678516940000011
式中：
K＝K0+nΔp；
Δp＝p-p0；
式中，p0为参考压力；ρ0为参考压力下的液体密度；K0为参考压力下液体的弹性模量；n为密度指数；p为液体绝对压力；ρ为实际压力下的液体密度；K为实际压力下液体的弹性模量；Δp表示液体表压力。
5.根据权利要求1所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，步骤三中，选择多相流模型、湍流模型和壁面函数，建立流体输运方程。
6.根据权利要求5所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，多相流模型选择为VOF模型，湍流模型选择为k-ε模型，壁面函数选择为标准壁面函数SWF。
7.根据权利要求1所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，步骤四中，边界条件设置为压力入口-压力出口，出口与外界相连；求解器设置为压力基求解器，压力-速度耦合算法采用SIMPLE分离算法，空间和时间离散格式为一阶迎风格式。
8.根据权利要求1所述的高压水射流喷丸的模拟方法，其特征在于，步骤八具体包括：
利用瞬态结构分析中的网格划分功能，对靶体进行网格划分，设置全局网格尺寸，并对受冲击表面进行面加密；
将靶体底面固定，并加载外部压力数据至受冲击表面，然后对靶体的应力应变情况进行求解。
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