[发明专利]一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，步骤为：(1)建立靶材有限元模型并进行区域划分，靶材表面分为4个区域，从内到外分别为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。(2)确定靶材模型尺寸，靶材模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，最大残余应力值几乎不发生变化。(3)建立弹丸束生成算法，利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程，首先给定弹丸生成位置的算法，同时给定弹丸的参数。(4)建立喷丸强度的计算方法，利用喷丸强化之后的残余应力分布计算弧高值，进而计算喷丸强度的大小。

技术领域

本发明是一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，它是一种能够将喷丸强化过程中弹丸尺寸、速度大小与方向等因素分布的随机性考虑进去的喷丸工艺的模拟方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

航空发动机涡轮部件是航空发动机限寿件，其服役环境是高温、高压、高转速的极端服役环境，易于产生疲劳失效现象，而且一旦疲劳失效，引起的后果十分严重。喷丸强化技术是涡轮盘、叶等部件常用的处理工艺，其基本原理是利用高速弹丸流喷射靶材，使弹丸与材料表层发生碰撞，改变表面形貌产生可控的塑性变形，并在材料表面引入残余压应力和组织强化效果，提高材料抗疲劳性能，为了寿命计算的精度，必须准确模拟喷丸强化工艺过程。弹丸冲击的过程往往具有一定的随机性，包括弹丸的尺寸、速度大小与方向。一般的模拟方法通常不考虑弹丸的随机效应，这样往往会带来很大的误差，影响模拟的精度。因此需要建立能够考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，提高数值模拟的精度，更好的服务于喷丸工艺参数设计。

现有文献“李源,雷丽萍,曾攀.弹丸束喷丸有限元模型数值模拟及试验研究[J].机械工程学报,2011,47(22):43-48.”通过ABAQUS有限元软件对喷丸强化过程进行了研究，在设计弹丸生成算法的时候考虑了用少量弹丸模拟大量弹丸随机碰撞的问题，同时针对弹丸的各个参数对强化效果的影响因素进行了研究。但是没有考虑弹丸尺寸、速度大小、速度方向的随机性。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，利用代表性体积单元方法模拟喷丸强化工艺，能够充分地反应喷丸冲击强化过程中弹丸存在的随机效应，提高喷丸强化工艺过程数值模拟的精度，更好的服务于喷丸工艺参数设计。

本发明技术解决方案：一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟方法，根据喷丸强化的对象选取代表性体积单元，弹丸生成的算法中考虑弹丸尺寸、速度大小以及方向存在的随机性，充分反应实际喷丸过程弹丸存在随机效应的特点，建立喷丸强化数值模拟与工艺参数之间的联系，实现喷丸强化的准确模拟。实现步骤如下：

第一步，建立靶材有限元模型并进行区域划分；基于大型商用有限元软件ABAQUS中建立靶材模型。靶材模型参考根据目前工业常用A型阿门试片。靶材表面分为4个区域，从内到外分为考核区、冲击区、过渡区、无限元区域。考核区为残余应力、粗糙度结果的考核区域；冲击区为弹丸束冲击区域，即所有弹丸的圆心被限制在该区域中；过渡区为包裹着冲击区的过渡区域；最外面为无限元区，防止应力波回弹。

第二步，对模型尺寸确定；喷丸工艺代表性体积元模型的核心观点就在于通过一个较小尺寸的模型代替实际喷丸工艺过程，因此为了保证代表性体积元模型的有效性，需对不同形状模型的最小尺寸进行确定。模型尺寸确定的方法是当弹丸密度逐渐增大时，残余应力大小几何不发生变化。

第三步，建立弹丸生成算法；根据所需要模拟的喷丸覆盖率，利用Avrami公式预估所需要弹丸的个数。利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程。算法首先给定弹丸生成位置的算法，通过限制后续弹丸中心生成方法，以控制弹丸冲击到靶材上的弹坑不会发生重叠。生成的弹丸束可有效保证靶材冲击区域表面均被弹丸冲击到。同时给定弹丸的几何参数，假定弹丸尺寸、速度大小、速度方向分布情况均满足正态分布。在弹丸位置处生成不同大小的弹丸，同时被赋予不同的弹丸速度大小与速度角度。至此完成弹丸生成的步骤。