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噴丸強化是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，使零件表層和次表層產生殘余壓應力而實現強化的一種技術。目前，噴丸強化工藝廣泛應用于航空、航天、汽車、核動力、兵器、石油、煤炭、化工、機車、工程機械、汽輪機、農機、塑料模具等眾多工業(yè)部門。
噴丸強化機制是在金屬表層形成殘余壓應力場，因此分析噴丸工藝與表層殘余壓應力場之間的關系，了解噴丸殘余應力場的分布規(guī)律，對提高噴丸工藝水平和金屬抗應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力分布，研究人員需要考慮大量噴丸參數。如果對每一個參數都進行實驗研究和驗證，不僅實驗費用高，工作量大，而且各種參數之間的相互影響和關系很難在同一個實驗中得以體現。隨著計算機和有限元分析技術的飛速發(fā)展，借助于有限元數值分析方法來分析噴丸誘導的殘余應力分布，已經成為一種重要的研究手段。
在有限元分析中，只要合理的設置各個參數，就可以對彈丸高速撞擊靶材進行較為真實的模擬。Hardy等人首次采用了有限元方法來求解剛性球撞擊彈塑半空間體的問題。Albaid進一步將動態(tài)彈塑性有限元方法應用到噴丸誘導殘余應力分布的模擬中。Mori等人運用動態(tài)粘彈性有限元方法模擬塑性球撞擊靶材的過程。由于以上學者在對噴丸過程進行有限元模擬時，受到計算機硬件條件的限制，對材料模型在很大程度上進行了簡化，導致最終的分析結果可靠性欠佳。Edberg等人是第一個應用商用有限元軟件LS-DYNA對噴丸過程進行數值模擬的，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程。近年來，隨著計算機和有限元技術的飛速發(fā)展，Hassani等人對單個彈丸撞擊靶材進行了有限元模擬，并研究了不同角度彈丸撞擊對靶材殘余應力分布所產生的影響。Deslaef和Rouhaud分別對單丸粒和多丸粒撞擊靶材進行了有限元模擬，并同時考慮了剛性球和塑性球對靶材殘余應力場分布的影響。隨后Meguid等人采用有限元方法對噴丸過程進行了更加系統(tǒng)的研究，他們對單丸粒和多丸粒撞擊靶材進行了動態(tài)有限元模擬。以上這些學者雖然考慮了一些參數對于噴丸效果的影響，但是對這些參數的研究并不全面。
本文應用ABAQUS軟件對噴丸誘導的殘余應力進行了有限元模擬，建立模擬單個彈丸撞擊靶材的有限元模型，對單元類型和材料模型的選取、網格劃分等關鍵技術進行了探索。本文首先對單丸粒撞擊靶材的有限元模型進行驗證，然后再針對其它噴丸參數對靶材殘余應力場分布的影響進行更深入的研究，歸納噴丸強化殘余壓應力場的特征，并尋找特征參數之間的規(guī)律性。根據有限元模擬的結果，可對噴丸強化工藝參數進行優(yōu)化控制，提高噴丸強化的加工工藝水平，以實現更好的噴丸效果。
本文應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。噴丸過程是接觸和碰撞問題，屬于最困難的非線性問題之一，因為在接觸和碰撞問題中的響應是不平滑的。在發(fā)生碰撞時，垂直于接觸界面的彈丸速度是瞬時不連續(xù)的，因此選擇顯式時間積分更適合于求解動態(tài)接觸一碰撞問題。
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