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      在ABAQUS軟件中仿真純水射流沖擊7075鋁合金表面強(qiáng)化圖像分析

      2018-09-10 23:22:15趙兮
      河南科技 2018年26期
      關(guān)鍵詞:表面粗糙度殘余應(yīng)力

      趙兮

      摘 要:本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件ABAQUS模擬高壓純水射流試驗(yàn),在保持靶材(7075鋁合金)的靶距、噴射的移動(dòng)速度、噴嘴直徑不變的情況下,通過(guò)改變射流水壓、射流角度來(lái)研究不同模擬狀態(tài)下產(chǎn)生的[xy]曲線,包括能量曲線、塑性應(yīng)變曲線、殘余應(yīng)力曲線、表面形貌曲線,探討殘余應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律。

      關(guān)鍵詞:高壓純水射流;表面強(qiáng)化;殘余應(yīng)力;表面型貌;表面粗糙度

      中圖分類號(hào):TG54文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-5168(2018)26-0062-04

      1 研究背景

      高壓純水射流沖擊強(qiáng)化是20世紀(jì)80年代末由Zafred[1]首先提出并發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)濕法噴丸強(qiáng)化新技術(shù),是高壓純水射流技術(shù)相對(duì)較新的應(yīng)用領(lǐng)域,其具有受噴材料表面粗糙度值增加小、噴丸強(qiáng)度范圍寬、覆蓋率高、噴丸靈活、控制方便、無(wú)塵和安全綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。高壓純水射流作為一種新興的表層改性技術(shù),通過(guò)合理調(diào)整工藝參數(shù),可以在上述零件部位引入較大的殘余壓應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)有效的改性,提高零件的抗疲勞性能。

      7075鋁合金是美國(guó)較早開發(fā)的一種鋁合金,其因強(qiáng)度高、重量輕的特性成為航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用范圍最廣的的金屬材料,常被用于制造大型整體結(jié)構(gòu)件,被譽(yù)為鋁合金中性能最優(yōu)良的產(chǎn)品[2]。用計(jì)算機(jī)仿真軟件ABAQUS模擬高壓水射流沖擊7075鋁合金靶材的目的是能直觀地獲取試驗(yàn)中很難獲取的物理參數(shù)與力學(xué)狀態(tài),可以有效節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間、降低成本,為高效高精度的試驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。在此,對(duì)仿真的過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行論述。

      ABAQUS是國(guó)際通用的有限元分析軟件之一,功能強(qiáng)大,能夠高效地模擬工程上的復(fù)雜問(wèn)題。純水射流沖擊強(qiáng)化的研究需要綜合考慮固體靶材的彈塑性特性、水的變形、求解計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度等問(wèn)題[3]。

      2.2 建立模型

      建立7075鋁合金的幾何模型,在ABAQUS軟件中建立簡(jiǎn)化之后的7075鋁合金幾何模型(見(jiàn)圖1)。

      在ABAQUS中建立水滴和7075鋁合金的幾何模型,7075鋁合金和純水的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

      2.3 網(wǎng)格劃分

      ①對(duì)水滴進(jìn)行網(wǎng)格劃分,水滴網(wǎng)格控制屬性的單元形狀是四面體,單元類型中單元庫(kù)為Explicit,族為三維應(yīng)力線性階次,四結(jié)點(diǎn)性四面體單元C3D4,部種為2,并設(shè)置水滴的節(jié)點(diǎn)和慣量。

      ②對(duì)7075鋁合金進(jìn)行網(wǎng)格劃分,鋁合金網(wǎng)格控制屬性的單元形狀以六面體為主,單元類型中單元庫(kù)為Explicit,族為三維應(yīng)力線性階次,八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R,減縮積分,沙漏控制,部種為2。

      ③對(duì)水滴和靶材進(jìn)行裝配。

      2.4 設(shè)置水滴和靶材之間的相互作用、邊界條件和載荷

      因?yàn)樗魏桶胁牡木W(wǎng)格必須有一定的重疊,因此,水滴和鋁合金要在相互作用中進(jìn)行表面對(duì)表面接觸(Explicit)設(shè)置,在這里采用罰接觸方法,相互作用的屬性選擇力學(xué)-法向行為和切向行為,并根據(jù)需要設(shè)置表面粗糙度為3.2。

      根據(jù)試驗(yàn)情況,靶材要固定在夾具上,且不可移動(dòng)的,需對(duì)靶材的底面設(shè)置“對(duì)稱—反對(duì)稱—完全固定”的邊界條件,即可限制靶材底面的自由度,以此來(lái)消除射流對(duì)靶體施加力的作用時(shí)導(dǎo)致模型分離。

      2.5 研究的內(nèi)容

      高壓純水射流沖擊靶體材料(7075鋁合金)的表面形貌測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)研究,塑性應(yīng)變、殘余應(yīng)力、表面粗糙度的應(yīng)力云圖及xy曲線,相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

      本文研究的純水射流沖擊強(qiáng)化涉及碰撞、接觸等復(fù)雜的非線性問(wèn)題,需要在顯示分析步ABAQUS/Explicit中求解流體與目標(biāo)靶材之間的過(guò)程。數(shù)值模擬研究了水射流的水壓[P]、射流速度[v]和入射角[α]對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。

      3 模擬結(jié)果

      純水射流高速?zèng)_擊使材料質(zhì)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng),引起材料變形,可由材料質(zhì)點(diǎn)的能量體現(xiàn)。射流高速?zèng)_擊做功傳遞給靶體材料的內(nèi)能主要轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能。模擬過(guò)程中,能生成各種變化曲線,從這些曲線中,可以很有效研究殘余應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律。

      3.1 在不同水壓作用下的殘余應(yīng)力

      圖2為7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下,入射角[α]=90°的情況下,靶距為10mm,靶材的塑性應(yīng)變隨著水錘壓力的不斷增大,當(dāng)水錘壓力引起的靶材應(yīng)力超過(guò)靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)使靶材產(chǎn)生塑性應(yīng)變,殘余壓應(yīng)力也隨之產(chǎn)生。此外,隨著射流壓力的增大,靶材塑性應(yīng)變明顯增大且深度加深,殘余應(yīng)力也在很短時(shí)間內(nèi)逐漸加大。

      圖3是7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下靶材表面的應(yīng)力變化。從圖3可以看出,應(yīng)力變化過(guò)程充分顯示了水壓對(duì)靶材的作用。綜合靶材應(yīng)力變化情況和靶材塑性應(yīng)變可知,只有當(dāng)水錘壓力引起的材料應(yīng)力大于靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí),塑性應(yīng)變與殘余壓應(yīng)力隨即產(chǎn)生。所以,殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生是水錘壓力作用的結(jié)果。隨著水錘壓力升高,殘余應(yīng)力形成需要的時(shí)間越短。

      3.2 不同入射角[α]對(duì)殘余應(yīng)力的影響

      圖4是保持射流水壓200MPa不變,改變射流入射角度[α],殘余應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)展的分布曲線。模擬結(jié)果表明,入射角較小時(shí),隨著噴射時(shí)間的延續(xù),殘余應(yīng)力分布不均勻,時(shí)而大時(shí)而小,殘余應(yīng)力波峰波谷較明顯,數(shù)值有正有負(fù),既有殘余拉應(yīng)力,也殘余壓應(yīng)力,仿真效果較差,不利于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著噴射角度不斷加大,殘余應(yīng)力線的波峰波谷逐漸變小,當(dāng)噴射角度為直角時(shí),殘余應(yīng)力線趨于一根平滑的曲線,分布也較為均勻,隨著噴射時(shí)間的推移,殘余應(yīng)力越來(lái)越大,這樣水射流強(qiáng)化效果是最好的。

      3.3 表面形貌

      表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形狀誤差及紋理等不規(guī)則的微觀幾何形狀,是由加工過(guò)程中切削、磨削引起的塑性變形及加工設(shè)備的振動(dòng)等原因造成的。

      表面粗糙度分析。表面粗糙度是影響水射流沖擊強(qiáng)化效果的重要因素之一,其大小取決于靶材原始表面粗糙度。當(dāng)表面粗糙度偏高時(shí),疲勞會(huì)產(chǎn)生于零件表面,并導(dǎo)致零件疲勞強(qiáng)度下降,所以,有效控制表面粗糙度,是保證強(qiáng)化效果的重要措施。在此,通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)7075鋁合金在不同的水壓、噴射角度下,對(duì)表面粗糙度進(jìn)行模擬分析,更深入地了解水射流狀態(tài)下表面粗糙度的變化。

      從圖5可以看出,在不同的射流水壓沖蝕下,靶材表面形貌所表現(xiàn)出來(lái)的表面粗糙度形態(tài)也不同,如射流水壓為80MPa時(shí),靶材在受到?jīng)_蝕0.002 5s之后形成波峰和波谷,但波峰波谷相對(duì)來(lái)說(shuō)成型不是很均勻,波峰波谷成型不是很明顯,表面粗糙度也較小。而在射流水壓為120MPa時(shí),靶材在受到?jīng)_蝕0.002s后形成了波峰和波谷,并較之前形成的波峰和波谷大,表面粗糙度也相應(yīng)增大。在射流水壓達(dá)到200MPa時(shí),波峰波谷的形成比較勻稱,表面粗糙度的大小達(dá)到一個(gè)新的高度。當(dāng)射流水壓增大時(shí),靶材的表面粗糙度也加大,對(duì)靶材的沖蝕較為嚴(yán)重,靶材的表面粗糙度增大,相應(yīng)的殘余應(yīng)力也增大。

      從圖6可以看出,當(dāng)噴射角度為30°到60°時(shí),靶材的波峰波谷在前期表現(xiàn)得不是很明顯,圖像較分散,表面粗糙度相對(duì)較小;當(dāng)噴射角度達(dá)到75°時(shí),靶材的波峰波谷呈現(xiàn)出相對(duì)平衡的狀態(tài),圖像相對(duì)比較緊湊。從圖7可以看出,當(dāng)噴射角度達(dá)到90°時(shí),波峰波谷達(dá)到一個(gè)新的高度,圖像曲線比較緊湊,表面粗糙度加強(qiáng)。

      4 結(jié)論

      本文描述了在ABAQUS軟件仿真高壓純水射流沖擊過(guò)程中,基于純水射流理論基礎(chǔ),運(yùn)用ABAQUS的SPH方法模擬鋁合金7075作為靶材在不同的射流方式下所呈現(xiàn)的不同狀態(tài)。在試驗(yàn)條件有限的情況下,通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件仿真,并通過(guò)繪制[xy]曲線的方法得出試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)本次模擬試驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

      ①在水射流沖擊過(guò)程中,殘余應(yīng)力產(chǎn)生的條件是當(dāng)水錘壓力引起的靶材應(yīng)力超過(guò)靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)使靶材產(chǎn)生塑性應(yīng)變,殘余壓應(yīng)力也隨之產(chǎn)生。隨著射流壓力的增大,靶材塑性應(yīng)變明顯增大且深度加深,殘余應(yīng)力也在很短時(shí)間內(nèi)逐漸加大。

      ②只有當(dāng)水錘壓力引起的材料應(yīng)力大于靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí),塑性應(yīng)變與殘余壓應(yīng)力才隨即產(chǎn)生。所以,殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生是水錘壓力作用的結(jié)果。隨著水錘壓力升高,殘余應(yīng)力形成需要的時(shí)間縮短。

      ③當(dāng)射流的水壓保持不變時(shí),改變射流入射角度[α],隨著噴射角度不斷加大,殘余應(yīng)力線漸漸趨于平滑且分布均勻,隨著噴射時(shí)間的推移,殘余應(yīng)力增大,水射流強(qiáng)化效果較好。

      ④保持射流角度不變,在不同射流水壓下,水壓對(duì)表面形貌呈現(xiàn)出不同狀態(tài),當(dāng)射流水壓增大時(shí),靶材的表面粗糙度也加大,對(duì)靶材的沖蝕較為嚴(yán)重,靶材的表面粗糙度增大,相應(yīng)的殘余應(yīng)力也增大。

      ⑤保持水壓不變,在不同水射流噴射角度下,其對(duì)靶材表面形貌影響,當(dāng)噴射角度達(dá)到90°時(shí),表面粗糙度呈現(xiàn)最大值。

      參考文獻(xiàn):

      [1]Zafred P R. High Pressure Water Short Peening:0218354B1 [P].1990-11-07.

      [2]李戶航,鄭小偉,陳艷妮,等.7075-T651鋁合金薄壁件加工仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程,2018(2):107-113.

      [3]王培卓.6061鋁合金純水射流沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2017.

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