噴丸數值模擬技術的研究意義和發展?

噴丸數值模擬的研究意義；長久以來，因為設計的參數過多，用實驗法研究噴丸工藝過程極為耗時耗力，隨著計算機技術和有限元的發展，使用有限元模擬的方法來研究噴丸成形過程中的材料變形、殘余應力的形成過程成為可能。而且在噴丸實際作業中，眾多噴丸參數的選擇需要經過大量實驗，而且不同材料、不同形狀構件所產生的殘余應力也不同，如果能在進行實際作業前利用數值模擬方法進行參數優化，將在實際工業生產中節省生產成本的同時有效提高噴丸的作用效果。

噴丸數值模擬的關鍵技術；噴丸過程中，靶件的變形是在與彈丸接觸狀態下進行的，彈丸通過該接觸表面把力和速度的作用施加到靶件上，使之產生塑性變形。這種作用狀態隨著變形的過程進行而在不段變化，因此他對模擬分析有著極其重要的影響。靶件在接觸表面受到彈丸產生的力和速度的約束作用，即切向摩擦應力和法向沖擊速度約束，所以接觸表面是混合邊界條件表面。接觸的復雜性使噴丸的有限元模擬成為一個高度非線性問題。在進行模擬之前，需要解決以下幾個問題；

1、接觸應力邊界條件處理；

2、速度約束條件的引入；

3、初始狀速度場及剛性區；

4、動態接觸邊界的自動處理技術。

噴丸數值模擬國內外的研究進展；

與國外相比，國內對噴丸的數值模擬起步較晚，學術界相關研究工作也不夠活躍，但是從近來來相關文獻量的快速上升中可以看出國內對噴丸的數值熱度增長非?？?，發展非常迅速。李雁淮等基于ABAQUS分別建立了單丸粒和多丸粒模型，他們得出當覆蓋率為100%時，殘余應力幅值明顯增加。李源等基于ABAQUS提供的python語言開發了一種新的噴丸模型，這種模型可以隨機分布彈丸的方向，可以精que地模擬噴丸強度的飽和過程。王強等基于ANSYS建立了有限元模型，通過調整彈丸速度、彈性模量和直徑大小進行噴丸過程的模擬分析。須慶等基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立了噴丸過程模型，對不同參數下殘余應力的分布進行分析，進而探討了單晶性質對余噴丸殘余應力的影響。劉飛宏等采用光滑粒子流體動力學，簡稱SPH耦合有限元法模擬噴丸強化過程，并對此方法做了系統的研究，通過仿真結果與實驗數據的對比分析，驗證了仿值模型及結果的正確性，為噴丸強化的仿真研究和工藝參數優化設計提供了強有力的工具，胡凱征等基于ABAQUS建立了有限元模型，這種模型基于溫度場，將復雜的動態過程近似地靜化，從而簡化了研究過程以及研究難度。洪濤等采用了三維離散元法對噴丸工藝進行了數值模擬，并結合有限元法的結果，提出對噴丸強化工藝參數的優化控制，提高噴丸工藝的工藝水平。張洪偉等基于大型有限元軟件LS-DYNA研究了彈丸沖擊作用下，鋁合金材料動態響應過程中的應力波結構、應變率效應及應力波衰減效應等動態參量，研究了彈丸搭接率對于殘余應力場的影響，建立了高覆蓋率多丸粒強化模型，研究了沖擊順序、材料應變率及初始殘余應力對強化效應的影響，研究了噴丸強化后的表面微觀變形特征。凌翔等基于ABAQUS預測了在相同噴丸強度下玻璃丸和鋼丸兩種類型彈丸噴射所產生的殘余應力場。借助于計算機技術以及有限元軟件的快速地展，國內對噴丸的數值化模擬經幾年的快速地展就以經達到了一個很高的層次，但是與國外的差距任然很大。

與國內相比，國外相差研究起步非常早，也非?；钴S。上世紀80年代前，該領域研究的主要困難在于對高應變率下的彈性以及非彈性現像缺乏足夠的認識。很難對沖擊時靶材的反應做出合理的解釋，所以基本沒有噴丸的相關文獻出現。很快，僵局被打破，AI-Hassani于1981年和1984年發表了兩篇文章，文中利用方法描述了沖擊過程，將之前看似難以琢磨的問題簡單化，并且首次利用解析法分析了噴丸殘余應力場，得出了單丸單次沖擊時殘余應力分布公式。以此為基礎，這一研究進入活躍期，新的文獻不斷出現。Meguid等開始將FEM用于噴丸研究，開創了有限元法研究噴丸的先河。98年，Levers等采用熱載荷的方法模擬了噴丸成形過程。A1-Obaid等首次使用了等參數單元的概念，椒靶件的離散化更為簡單。2010年，Bhuvaraghan等利用DEM與FEM聯合從而更加準確地計算得出了噴丸殘余應力場分布。2011年Gariepy.A等采用有限元法定量地分析了噴丸殘余應力場，以此為標志，基于有限元模擬的噴丸研究更加細化。

在雙對數從標系紙上畫出如圖2.1所示的da/dN-k曲線，這條可用S型曲線來描述，而且這種S型曲線通常被劃分為三個區域；

I區通常稱為近門檻值區，存在k的某一個下限值Kth，通常稱之為疲勞裂紋擴展應力強度因子門檻值，臨近Kth時，da/dN急據減小并趨于零值，當k小于Kth時裂紋不擴展，當k大于Kth時裂紋開始緩慢擴展。Kth受循環應力特征R的影響很大，保持R不變通過試驗可以測得Kth。經過多年的發展，學者們以經推導出很多經驗公式，研究者可以根據實際情況參考。

II區通常稱為穩定擴展區，也是裂紋擴展的主要部分。

III區通常稱為快速擴展區，它存在一個上限值KIc，這個通常稱之為疲勞斷裂韌度。在這一區域中，da/dN急速增加，裂紋擴展快，壽命段，一般用鉛垂漸近線表示。此階段裂紋擴展極快，在整個疲勞壽命中占的權重很小，可忽略不計。