盧運(yùn)鵬，汪崇建

(煤炭科學(xué)研究院上海分院， 上海 20030)

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噴丸工藝對(duì)18Cr2Ni4WA鋼殘余應(yīng)力影響的有限元模擬

盧運(yùn)鵬，汪崇建

(煤炭科學(xué)研究院上海分院， 上海 20030)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件模擬了在不同彈丸速度和半徑下噴丸強(qiáng)化后18Cr2Ni4WA鋼的表層殘余應(yīng)力分布，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：18Cr2Ni4WA鋼表層中最大殘余壓應(yīng)力隨著彈丸速度或彈丸半徑的增加均先增大后減小,當(dāng)彈丸速度為120 m·s-1、彈丸半徑為0.6 mm時(shí)噴丸強(qiáng)化效果較佳；噴丸后鋼表層殘余應(yīng)力分布的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明了模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：ANSYS/LS-DYNA軟件；有限元分析；殘余應(yīng)力；噴丸強(qiáng)化

0引言

18Cr2Ni4WA鋼是制造采煤機(jī)行走輪的材料，其疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命對(duì)采煤機(jī)的使用壽命和采煤效率影響很大[1]。噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種十分有效且適用范圍廣泛的表面強(qiáng)化處理技術(shù)[2]，這種技術(shù)利用大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸撞擊金屬材料的表面，使其表面發(fā)生彈塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)來(lái)提高其疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。

采用試驗(yàn)的方法(噴丸后用X射線衍射測(cè)強(qiáng)化后材料表層殘余應(yīng)力)成本相對(duì)較高,而利用仿真分析的方法能夠極大地降低成本，同時(shí)能夠清楚地了解強(qiáng)化后殘余應(yīng)力隨層深分布的情況。為此，作者利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立了噴丸強(qiáng)化有限元模型，模擬了不同彈丸速度和彈丸直徑噴丸對(duì)強(qiáng)化后18Cr2Ni4WA鋼表層殘余壓應(yīng)力分布的影響并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1有限元模型的建立

利用ANSYS有限元軟件強(qiáng)大的建模功能和對(duì)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題的求解功能，建立了采煤機(jī)行走輪用18Cr2Ni4WA鋼噴丸強(qiáng)化的有限元模型，并用ANSYS和LS-DYNA軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行分析求解[3-5]。

1.1　材料參數(shù)

采煤機(jī)行走輪材料為18Cr2Ni4WA齒輪鋼，有限元建模時(shí)以該齒輪鋼作為噴丸試樣和彈丸材料，其性能參數(shù)如表1所示，表面硬度為58～62 HRC，熱處理狀態(tài)為滲碳淬火，硬化層深度為1.5～2.0 mm。

表1　18Cr2Ni4WA鋼的材料參數(shù)Tab.1　Material parameters of 18Cr2Ni4WA steel

18Cr2Ni4WA鋼在載荷作用下會(huì)發(fā)生彈塑性變形，建模時(shí)試樣和彈丸均采用分段線性塑性模型，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線是以數(shù)組的方式分段線性擬合的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線[3]，以此代入有限元模型。

1.2　模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立噴丸強(qiáng)化的模型，采用4層彈丸、100%覆蓋率疊加方式，如圖1所示。在顯示動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中，可以認(rèn)為將彈丸內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到彈丸的質(zhì)量中心上，以縮減顯式分析的計(jì)算時(shí)間。

圖1　四層彈丸100%覆蓋率疊加方式Fig.1　Four layer mode of shots with 100% coverage rate

由于噴丸試樣和彈丸的對(duì)稱性，只需要建立二分之一的有限元模型，同時(shí)為了提高計(jì)算效率，設(shè)置模型邊界的網(wǎng)格單元尺寸為逐漸增大，如圖2所示。選用SOLID164顯示動(dòng)力學(xué)分析單元，試驗(yàn)鋼的模型尺寸為12R×6R×2.1 mm，R為彈丸半徑，網(wǎng)格單元尺寸為0.02 mm。在有限元模型的左右側(cè)面(yz面)和底面施加非反射邊界條件，前后側(cè)面(xz面)施加對(duì)稱的邊界條件。

圖2　有限元模型Fig.2　Finite element model

提取噴丸區(qū)域沿試驗(yàn)鋼厚度方向上(z向)每層平面(xy面)中所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值并取平均值，以此作為試驗(yàn)鋼中不同層深處的殘余壓應(yīng)力，繪制殘余壓應(yīng)力隨層深的變化曲線。

2模擬結(jié)果與討論

2.1　彈丸速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

分別以80，90，100，110，120 m·s-1的彈丸速度對(duì)18Cr2Ni4WA齒輪鋼進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，模擬了彈丸速度對(duì)其表面殘余應(yīng)力分布的影響。

從圖3可以看出，在不同彈丸速度下噴丸處理后，試驗(yàn)鋼表面殘余應(yīng)力隨著彈丸速度的增加逐漸增大，表面最大殘余壓應(yīng)力在彈丸速度為120 m·s-1時(shí)達(dá)到最大。

由圖4可以看出，隨著彈丸速度的增加，試驗(yàn)鋼中的最大殘余壓應(yīng)力逐漸增加，且最大殘余應(yīng)力的層深也呈增大的趨勢(shì)；在相同的彈丸速度下，殘余壓應(yīng)力隨層深的增加先增大后減小；試驗(yàn)鋼中的最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在層深約200 μm處，此時(shí)彈丸速度為120 m·s-1時(shí)。

作者利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了彈丸速度從80 m·s-1到170 m·s-1時(shí)對(duì)試驗(yàn)鋼表面殘余應(yīng)力和鋼中最大殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著彈丸速度的增加，試驗(yàn)鋼噴丸后表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均發(fā)生波動(dòng)性的先逐漸增大后減小的變化，兩者的變化曲線幾乎重合；當(dāng)彈丸速度為120 m·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均達(dá)到最大，分別為1 618,1 782 MPa。

綜上可知，當(dāng)彈丸速度在120 m·s-1時(shí)，噴丸強(qiáng)化后試驗(yàn)鋼的表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均為最大，分別為1 618.9 ，1 782.6 MPa，最大殘余應(yīng)力層深約為200 μm。因此，噴丸試驗(yàn)時(shí)彈丸速度取120 m·s-1比較合適。

2.2　彈丸半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響

采用半徑為0.4～0.8 mm的彈丸對(duì)18Cr2Ni4WA齒輪鋼進(jìn)行噴丸處理，模擬了試驗(yàn)鋼表層殘余應(yīng)力分布，彈丸速度為90 m·s-1。

由圖6可以看出，試驗(yàn)鋼表面殘余應(yīng)力基本隨著彈丸半徑的增大而增加。

圖3　不同彈丸速度噴丸處理后試驗(yàn)鋼表面殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening at different shot speeds

圖4　不同彈丸速度下試驗(yàn)鋼中殘余壓應(yīng)力隨層深的分布曲線Fig.4　Residual stress vs layer depth curves of experimentalsteel at different shot speeds

圖5　不同彈丸速度下試驗(yàn)鋼的表面殘余應(yīng)力和最大殘余應(yīng)力Fig.5　Surface residual stress and maximum residual stressof experimental steel at different spot speeds

圖6　不同半徑彈丸噴丸處理后試驗(yàn)鋼的表面殘余應(yīng)力分布云圖Fig.6　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening with different shot radii

由圖7可以看出，當(dāng)彈丸半徑由0.4 mm增加到0.8 mm時(shí)，試驗(yàn)鋼中的最大殘余壓應(yīng)力隨半徑的增大先增加再減小，當(dāng)彈丸半徑為0.6 mm時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值，為1 174.6 MPa；最大殘余壓應(yīng)力的層深基本保持不變，這是由于18Cr2Ni4WA齒輪鋼的屈服強(qiáng)度較高，在較低的彈丸速度下噴丸不易發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致的；在相同的彈丸半徑下，隨著層深的增加，試驗(yàn)鋼中殘余壓應(yīng)力先增加后減小。

圖7　不同半徑彈丸噴丸強(qiáng)化后試驗(yàn)鋼中殘余應(yīng)力隨層深變化的曲線Fig.7　Residual stress vs layer depth curves of experimental steelafter shot peening with different shot radii

當(dāng)彈丸半徑過(guò)大時(shí)，材料的表面粗糙度會(huì)增加，對(duì)精度有影響，且最大殘余壓應(yīng)力會(huì)減小[6]，因此彈丸半徑應(yīng)該選擇為0.6 mm。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

采用氣動(dòng)式數(shù)控噴丸設(shè)備對(duì)18Cr2Ni4WA齒輪鋼進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，彈丸材料為鑄鋼，硬度為58 HRC，選擇了兩組彈丸，速度分別為100，90 m·s-1,半徑均為0.8 mm。噴丸強(qiáng)化后采用電化學(xué)腐蝕剝層技術(shù)對(duì)齒輪鋼進(jìn)行剝層處理，然后采用Proto-LXRD型X射線應(yīng)力分析儀測(cè)試殘余應(yīng)力隨層深的分布[7-8]。

由圖8可知，彈丸速度為80,100 m·s-1，半徑為0.8 mm時(shí)，齒輪鋼表層殘余應(yīng)力分布的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果是相吻合的，證明該模型具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8　噴丸處理后試驗(yàn)鋼中殘余應(yīng)力分布曲線的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比Fig.8　Comparison of experimental results and simulation results of residual stress distribution in experimental steel after shot peening

4結(jié)論

(1) 模擬結(jié)果顯示，試驗(yàn)鋼表面殘余壓應(yīng)力隨著彈丸速度或彈丸半徑的增加均增大，表層中最大殘余壓應(yīng)力隨彈丸速度或彈丸半徑的增加先增大后減小；當(dāng)彈丸速度為120 m·s-1、彈丸半徑為0.6 mm時(shí)噴丸強(qiáng)化效果較佳。

(2) 噴丸后18Cr2Ni4WA齒輪鋼殘余應(yīng)力分布的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明了模型的準(zhǔn)確性。

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Finite Element Simulation of Shot Peening Effect on Residual Stress

in 18Cr2Ni4WA Steel

LU Yun-peng, WANG Chong-jiang

(China Coal Research Institute Shanghai Branch, Shanghai 200030, China)

Abstract:The residual stress distribution in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel at different shot speeds and shot radii was simulated with ANSYS/LS-DYNA finite element software, and the simulation results was verified by experiment. The results show that the maximum residual stress in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel first increased then decreased with the increase of shot speed or shot radius. The strengthening effect of the shot peening was relatively good at shot speed of 120 m·s-1and shot radius of 0.6 mm. The simulated results of residual stress distribution in surface layer of the steel agreed well with experimental results, proving the accuracy of the model.

Key words:ANSYS/LS-DYNA software; finite element analysis; residual stress; shot peening

作者簡(jiǎn)介：劉奎武(1980-)，男，江蘇淮安人，講師，碩士。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009ZX04012-012)；2013年度省科技支撐計(jì)劃(工業(yè))重點(diǎn)項(xiàng)目課題(BE2013009-4)；淮安市工業(yè)支撐項(xiàng)目(HAG2011014)。

收稿日期:2015-01-21；

修訂日期:2015-10-22

DOI:10.11973/jxgccl201512022

中圖分類號(hào)：TH142.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)12-0091-04