本文關(guān)鍵詞：彈丸噴丸應力場建模與條帶噴丸整體變形模擬

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【摘要】：噴丸工藝廣泛應用于金屬結(jié)構(gòu)件的表面強化和大型薄壁類零件復雜型面的成形。噴丸成形工藝的關(guān)鍵和難點在于噴丸成形工藝參數(shù)的規(guī)劃以及噴丸變形預測。根據(jù)噴丸變形可以對工件的展開板坯預先進行補償修正,進而提高噴丸成形的型面精度和各結(jié)構(gòu)要素的位置精度。本文以彈丸噴丸成形為研究對象,旨在揭示彈丸噴丸機理、分析條帶噴丸變形、規(guī)劃噴丸成形參數(shù)、保障噴丸成形精度,建立并發(fā)展相關(guān)的分析計算模型與方法,為實現(xiàn)大型薄壁類零件的精確噴丸成形提供理論依據(jù)和方法。本文的主要工作和研究成果如下：(1)將Johnson Cook材料模型引入傳統(tǒng)的球腔模型中,建立了高速彈丸撞擊應變速率敏感材料的應力應變解析模型,可以計算單彈丸撞擊應力場及飽和噴丸應力場。對于噴丸成形中非飽和噴丸應力場的計算,研究了多彈丸撞擊應力場間的相互影響,發(fā)現(xiàn)由多彈丸撞擊而引入板料中使板料產(chǎn)生彎曲變形的能量隨相鄰彈丸間距的變化近似正態(tài)變化,且多彈丸撞擊平均應力在等深度位置隨相鄰彈丸間距近似正態(tài)變化,根據(jù)該發(fā)現(xiàn)提出了一個關(guān)于噴丸覆蓋率及單彈丸撞擊應力場的函數(shù),利用該函數(shù)結(jié)合單彈丸撞擊應力場和飽和噴丸應力場可以計算任意覆蓋率下的噴丸應力場。計算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進行了比較,二者相符較好。利用所計算應力場預測板料的噴丸變形,預測結(jié)果與試驗結(jié)果相符較好。(2)針對預應力噴丸中初始應力非零的彈丸撞擊彈塑性變形問題,利用橢球面表達預應力彈丸撞擊時的彈塑性變形區(qū)分界面,結(jié)合球腔模型建立了預應力噴丸應力場的解析計算模型,并通過有限元模擬研究了預應力等對噴丸應力應變場及成形曲率等的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),隨著預應力的增大,在預拉伸應力方向其彈塑性分界面被壓縮,在垂直于預拉伸應力的方向其分界面被拉長。預應力對彈丸撞擊塑性變形區(qū)內(nèi)應力場的影響較小,且彈丸的撞擊作用對深層的預應力影響較小而形成殘余預應力。噴丸覆蓋率越高,噴丸表層中的殘余預應力越少。在塑性區(qū)壓應力和彈性區(qū)殘余預應力的綜合作用下,初始預應力越大、噴丸覆蓋率越大,則噴丸成形曲率越大。結(jié)合預應力噴丸成形試驗,利用均布預應力靜壓成形試驗精確控制輸入?yún)?shù),驗證了有限元模擬結(jié)果。(3)分析了條帶噴丸成形中板料的變形機理,建立了相關(guān)的力學描述。鑒于噴丸條帶內(nèi)噴丸應力場的復雜性,為方便噴丸成形參數(shù)的規(guī)劃與噴丸變形的計算,根據(jù)板料厚向平均噴丸應力分布的特點,利用余弦函數(shù)等簡化表達噴丸應力場,該簡化函數(shù)所表達的應力場與實際噴丸應力場具有相同的使板料變形的能力。用半解析-試驗方法建立了常用噴丸參數(shù)與簡化函數(shù)系數(shù)間的關(guān)系,試驗驗證表明利用該函數(shù)可以較準確地預測常用噴丸參數(shù)下的板料噴丸變形。(4)建立了條帶噴丸覆蓋率與噴丸參數(shù)間的關(guān)系模型。條帶噴丸覆蓋率由彈坑尺寸和彈坑分布決定,彈坑分布由噴丸參數(shù)和機床參數(shù)決定。在單條帶寬度方向,彈坑在單條帶內(nèi)呈正態(tài)分布。該正態(tài)分布的標準差由機床參數(shù)決定,可以通過一組試驗來確定�；谒玫恼龖B(tài)分布參數(shù)可以計算任意噴嘴移動速度和移動軌跡下的噴丸覆蓋率,進而實現(xiàn)噴丸覆蓋率的控制。(5)針對板料噴丸變形,以成形曲率誤差滿足設(shè)計公差要求以及噴丸延展變形較小為原則,建立了噴丸成形應力場的規(guī)劃方法。將工程約束條件在算法中轉(zhuǎn)化為對簡化應力場函數(shù)的約束,簡化了算法。基于ABAQUS有限元分析軟件建立了噴丸成形參數(shù)的自動規(guī)劃方法,可以實現(xiàn)大型復雜型面噴丸成形參數(shù)的規(guī)劃。在自動模擬規(guī)劃中,采用分步分區(qū)的方法,逐步細化噴丸成形參數(shù)；提出在每個分區(qū)利用五個參考點監(jiān)測模擬型面與目標型面間誤差的方法,解決了微波浪型成形型面與光滑目標型面間的對比問題,提高了自動規(guī)劃方法的可執(zhí)行性；通過改變本征應變場調(diào)整噴丸成形應力場使模擬型面與目標型面貼合,可以實現(xiàn)分析步內(nèi)對噴丸應力場的時時調(diào)整。通過分析步內(nèi)型面誤差的時時監(jiān)測及反饋,實現(xiàn)了噴丸成形參數(shù)的自動規(guī)劃。(6)以飛機機翼壁板為例,研究了大型薄壁類零件的噴丸變形分析方法。利用CATIA環(huán)境下開發(fā)的壁板幾何信息提取模塊獲得壁板的相關(guān)幾何信息；根據(jù)壁板型面上的極大曲率等值線分區(qū)劃分條帶噴丸軌跡；利用所建立的自動規(guī)劃方法獲得噴丸誘導應力及噴丸成形參數(shù)。提出一種等效漸進模擬方法分析噴丸零件的變形,該方法提取設(shè)計壁板模型和展開壁板模型的外翼面建立復合殼單元有限元模擬模型,在模擬分析步內(nèi)將噴丸誘導應力逐步引入到殼單元的截面點上誘導其漸進變形,提高了大尺寸薄壁零件大撓度變形非線性模擬的收斂性,提高了模擬精度。模擬結(jié)果表明,所規(guī)劃的噴丸成形誘導應力能使模擬型面與目標型面貼合良好,模擬獲得的展向延展變形與試驗值相符。本文的研究成果成功應用于C919客機機翼壁板的噴丸成形,一方面對噴丸成形參數(shù)進行了規(guī)劃,另一方面根據(jù)噴丸成形模擬獲得的延展變形對壁板的展開板坯進行了補償修正,保障了其成形精度,使之滿足了裝機要求。
【關(guān)鍵詞】：噴丸成形 噴丸參數(shù) 數(shù)值模擬 預應力 噴丸應力 整體壁板
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V261
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-23
• 1 緒論23-47
• 1.1 研究背景和意義23-24
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-44
• 1.2.1 噴丸工藝分類24-26
• 1.2.2 彈丸噴丸成形工藝參數(shù)26-31
• 1.2.3 彈丸噴丸成形工藝試驗31-34
• 1.2.4 噴丸應力解析計算研究34-39
• 1.2.5 噴丸應力數(shù)值模擬研究39-40
• 1.2.6 噴丸變形數(shù)值模擬研究40-43
• 1.2.7 噴丸成形工藝參數(shù)規(guī)劃43-44
• 1.3 彈丸噴丸成形工藝中尚存在的問題44-46
• 1.4 論文的主要工作及章節(jié)安排46-47
• 2 彈丸撞擊應力場解析計算47-85
• 2.1 引言47
• 2.2 單彈丸撞擊問題47-58
• 2.2.1 彈性應力應變場及位移場47-48
• 2.2.2 球腔參數(shù)與彈坑尺寸48-49
• 2.2.3 應變速率與彈丸速度49-51
• 2.2.4 塑性應力應變場及位移場51-52
• 2.2.5 噴丸參數(shù)與彈坑尺寸52-54
• 2.2.6 彈丸回彈卸載54-56
• 2.2.7 單彈丸撞擊殘余應力56-58
• 2.3 多彈丸撞擊問題58-66
• 2.3.1 噴丸覆蓋率與彈丸間距58-59
• 2.3.2 彈丸間距與噴丸應力場59-61
• 2.3.3 多彈丸撞擊中的能量疊加61-63
• 2.3.4 多彈丸撞擊應力場63-66
• 2.4 解析模型驗證66-70
• 2.4.1 材料本構(gòu)模型參數(shù)66-67
• 2.4.2 球腔內(nèi)壓模擬67
• 2.4.3 剛性彈丸撞擊模擬67-68
• 2.4.4 彈性彈丸撞擊模擬68-69
• 2.4.5 噴丸成形試驗69-70
• 2.5 結(jié)果分析70-82
• 2.5.1 球腔模型應力70-71
• 2.5.2 彈坑尺寸與接觸壓力71-75
• 2.5.3 彈丸的彈性變形及其影響75
• 2.5.4 彈坑中心線位置的應力75-78
• 2.5.5 噴丸誘導應力的等效彎矩78-79
• 2.5.6 噴丸成形曲率79-80
• 2.5.7 一般覆蓋率下的噴丸應力80-82
• 2.6 本章小結(jié)82-85
• 3 彈丸撞擊應力場模擬計算85-127
• 3.1 引言85
• 3.2 預應力噴丸85-94
• 3.2.1 預應力噴丸成形85-87
• 3.2.2 預應力噴丸機理87-94
• 3.3 有限元模擬模型94-98
• 3.3.1 彈丸均布模型94-95
• 3.3.2 單彈丸靜壓模型95-97
• 3.3.3 單彈丸撞擊模型97
• 3.3.4 均布的四彈丸靜壓模型97
• 3.3.5 均布的四彈丸撞擊模型97
• 3.3.6 模擬結(jié)果提取97-98
• 3.4 靜壓試驗與噴丸試驗98-100
• 3.4.1 預彎裝置與試件98
• 3.4.2 均布靜壓試驗98-99
• 3.4.3 預應力噴丸試驗99-100
• 3.5 結(jié)果分析100-125
• 3.5.1 壓坑和彈坑尺寸100-103
• 3.5.2 彈塑性變形區(qū)界面103
• 3.5.3 塑性區(qū)尺寸103-107
• 3.5.4 計算應力與模擬應力107-109
• 3.5.5 靜壓應力和噴丸應力109-114
• 3.5.6 多彈丸撞擊應力場114-117
• 3.5.7 截面彎矩和延展力117-120
• 3.5.8 噴丸成形曲率120-121
• 3.5.9 靜壓力和撞擊速度121-125
• 3.6 本章小結(jié)125-127
• 4 板料噴丸成形分析127-151
• 4.1 引言127
• 4.2 板料噴丸變形127-131
• 4.2.1 均勻噴丸成形127-128
• 4.2.2 條帶噴丸成形128-131
• 4.3 簡化噴丸應力131-134
• 4.3.1 噴丸應力函數(shù)132-133
• 4.3.2 函數(shù)中系數(shù)的確定133-134
• 4.4 條帶噴丸覆蓋率134-138
• 4.4.1 覆蓋率與噴丸參數(shù)134-135
• 4.4.2 單條帶內(nèi)彈坑分布規(guī)律135-137
• 4.4.3 條帶噴丸覆蓋率137-138
• 4.5 噴丸試驗138-139
• 4.5.1 彈坑尺寸試驗138
• 4.5.2 噴丸成形曲率試驗138-139
• 4.5.3 條帶覆蓋率試驗139
• 4.6 結(jié)果分析139-149
• 4.6.1 噴丸誘導應力139-143
• 4.6.2 條帶噴丸覆蓋率143-149
• 4.7 本章小結(jié)149-151
• 5 噴丸成形參數(shù)規(guī)劃151-177
• 5.1 引言151
• 5.2 噴丸成形應力場規(guī)劃151-155
• 5.2.1 邊界條件151-152
• 5.2.2 噴丸應力場規(guī)劃流程152-155
• 5.3 基于數(shù)值模擬的噴丸參數(shù)規(guī)劃155-163
• 5.3.1 模擬中型面的監(jiān)測155-157
• 5.3.2 條帶噴丸成形模擬157-159
• 5.3.3 條帶噴丸誘導應力159-160
• 5.3.4 模擬誘導應力160-161
• 5.3.5 自動化模擬方法161-163
• 5.4 噴丸成形試驗163-164
• 5.4.1 噴丸應力場解析計算實例163
• 5.4.2 條帶噴丸成形試驗163-164
• 5.5 結(jié)果分析164-174
• 5.5.1 噴丸應力場解析計算結(jié)果164-170
• 5.5.2 噴丸應力場有限元分析結(jié)果170-174
• 5.6 本章小結(jié)174-177
• 6 試驗驗證與工程應用177-191
• 6.1 引言177
• 6.2 機翼壁板噴丸成形分析177-184
• 6.2.1 壁板幾何信息提取177-179
• 6.2.2 條帶噴丸路徑規(guī)劃179-181
• 6.2.3 噴丸應力場與噴丸參數(shù)181-182
• 6.2.4 壁板噴丸成形模擬——等效漸進模擬方法182-184
• 6.3 壁板噴丸成形試驗184-185
• 6.4 結(jié)果分析185-190
• 6.4.1 模擬型面精度分析185-186
• 6.4.2 模擬延展量分析186-190
• 6.5 本章小結(jié)190-191
• 7 論文工作總結(jié)與展望191-195
• 7.1 總結(jié)191-193
• 7.2 本文的主要創(chuàng)新點193
• 7.3 展望193-195
• 參考文獻195-205
• 附錄A205-207
• 附錄B207-209
• 致謝209-211
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加科研情況211-213

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 周建忠;樊玉杰;黃舒;阮鴻雁;朱偉;衛(wèi)登輝;王呈棟;陳寒松;;激光微噴丸強化技術(shù)的研究與展望(邀請論文)[J];中國激光;2011年06期

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本文編號：1048072