基于FEM-DEM耦合的大规模喷丸速度分布仿真研究.pdf

:./.基于 耦合的大规模喷丸速度分布仿真研究李泽忠唐菁隆吴 康郝龙龙张 煜杨 杰(西南交通大学 力学与工程学院四川 成都)摘 要:通过研究大规模喷丸仿真中的弹丸速度问题发现弹丸之间由于相互碰撞影响导致弹丸撞击到金属表面时的速度是不一致的且弹丸束内部和外部的弹丸分布也是不一致的因此现阶段的弹丸速度测量方法具有一定的局限性 针对这一现象基于 耦合模型采用直接模拟大规模喷丸仿真的方法得出了大规模喷丸仿真问题中的弹丸速度和 强度的关系对研究大规模喷丸仿真问题提供了一定的参考价值关键词:有限元离散元大规模喷丸弹丸速度中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言喷丸强化是提高零部件抗疲劳强度的重要工艺其广泛应用于航空航天、汽车制造以及工程机械等领域中 各种尺寸和样式的工件尤其是承受交变载荷齿轮、航空发动机榫头、以及轴承等金属制件采用这一工艺可大幅提高疲劳强度喷丸强化仿真是研究喷丸工艺和机理的重要途径相关研究已从早期的二维模型发展到三维立体模型从单弹丸仿真模型发展到考虑了覆盖率的大规模不规则位置的多弹丸模型 等最早建立单弹丸模型分析了喷丸强化工艺的残余应力 和 等建立了规则的多弹丸喷丸模型并和之前的单弹丸仿真模型做了对比分析 近年来随机弹丸模型的研究由于更符合真实性的特点让学者们更加地关注 盛湘飞等对铝合金进行了随机喷丸模型的理论研究并通过二次导入残余应力的方式将长时间的仿真分成多段来提高效率 等结合规则分布的弹丸与随机弹丸建立了周期性弹丸模型 等对比了随机弹丸模型和规则弹丸模型并发现规则弹丸在粗糙度和覆盖率的预测上显得相对不足 在受喷对象方面李智等建立了面对曲面的喷丸模型对比了不同喷丸角度对残余应力的影响 王延忠等研究了面向 钛合金板件的喷丸模型通过提取各个弹丸的坐标方法预测到了影响喷丸覆盖率的原因 而在离散元的喷丸研究方面 等建立了弹丸离散元模型并将其应用于喷丸强化数值模拟仿真 等提出了将离散元与有限元结合的方法模拟喷丸强化并对残余应力与塑性变形问题进行了预测综上所述随机弹丸模型和不规则表面受喷是喷丸强化工艺仿真的发展方向和发展趋势但要喷丸强化仿真中达到一定覆盖率时不仅需要大量弹丸还需对受喷表面的网格进行精细划分以方便分析喷丸强化仿真结果 因此前人的喷丸随机模型在计算大规模喷丸时其计算量和分析时间任务巨大这将导致计算效率受到很大影响应用离散元模型可以准确地表征大量随机颗粒模拟大量弹丸对受喷工件打击的集群效应和弹丸粒子之间的相互影响 由于离散元单元数目少且无须计算应力等结果数值因此可大大节约计算时间 但离散元模型很难表征出连续体的应力应变只有有限元模型可以准确反映受喷工件的弹塑性变形量以及机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化收稿日期:作者简介:李泽忠()男河北唐山人硕士研究方向:力学与航空航天引入的残余应力数值因此建立 耦合模型可以更巧妙地解决海量随机弹丸的喷丸强化仿真问题 以往的 模型需要应用 软件与有限元软件的联合仿真前后处理过于繁琐现阶段应用离散元模型的方法有两种一种是静态方法生成颗粒系统 利用静态方法生成颗粒系统就是通过 的 界面和修改 文件相结合的方式来建立离散元模型 首先在 中用质量点单元(/)代替 系统中的颗粒之后将生成的 文件中 的单元类型由 改为 即可 但这种引入离散元喷丸仿真只能产生阵列的离散元单元不符合喷丸的实际工况 第二种需要在 中导入 模块这导致在 结果计算中不可以多核并行计算因此效率不高 笔者通过 软件引入 离散元单元来制作大规模喷丸离散元模型应用笔者编写的 语言对 的前处理 输入文件进行二次编写建立了 耦合模型来表征喷丸强化的过程 结果证明该方式较好地满足了随机喷丸数值仿真的高效率和真实性兼并的需求 耦合模拟大规模喷丸的基本思路.有限元模型()以阿尔门 型试片为例为了让喷丸强化模拟仿真的结果具有真实性靶材的有限元模型尺寸要与 尺寸相同其长度为.宽度为.厚度为.等对喷丸数值模拟仿真的研究表明为了使喷丸仿真的结果更加准确和真实要将试片的表面网格进行网格细化保证弹丸碰撞区域的表面层网格最大尺寸不大于弹丸直径的/采取 弹丸其直径为.靶材网格取.由于喷丸后续要计算残余应力的数值曲线在厚度上也采用上密下疏的划分方式如图 所示 采用 节点的缩减单元 如图 所示图 靶材厚度方向网格划分 图 靶材整体有限元模型.离散元模型()利用 脚本在规定的空间内生成大量弹丸数目的随机点坐标再修改 文件创建离散的弹丸模型 虽然该弹丸为刚体但是具有弹性模量、密度和阻尼系数 为方便建模假设弹丸尺寸一致且暂不考虑弹丸之间的相互碰撞如图 所示图 创建 离散元单元.引入离散元单元自 引入 离散元单元后现在主要有两种方法引入 离散元单元 第一种办法是图 更改实体单元类型在 的 界面建立实体单元后将生成的 文件中的单元类型 由 改 为 离散元单元 但是这种办法缺点很明显只能产生阵列的离散元单元不符合喷丸的实际工况更改实体如图 所示而第二种办法就是在导出的 文件中添加 关键字 编写颗粒生成器的 文件分为大致两个部分在分析步外的部分可以定义生成颗粒的位置、数量、种类、截面属性等在分析步内的部分可以定义颗粒生成的流速和单位面积的质量流率以及改变颗 粒生成面位置形状等 代码如下:制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用.但是这种办法会有明显的缺点 中使用颗粒生成器作业运算时只能使用单核运算效率不高 因此需利用 编写代码文件使用微软 系统的命令行程序在 环境下运行随机点脚本生成随机点文件 在 的 界面只需将靶材划分好网格 剩下的只需在 文件中进行修改即可 大规模喷丸表面覆盖率的计算在大规模喷丸仿真计算中通过输出喷丸表面所有节点的等效塑性应变来测量覆盖率 仿真所利用的弹丸类型为 铸钢丸弹丸平均直径为.喷丸靶体选为标准 强度试验的 弹簧钢 类试片其化学成分如表 所列表 弹簧钢的化学成分/元素百分比元素百分比.然后通过单弹丸模型的喷丸结果得到喷丸弹痕边缘的等效塑性应变值如图 所示喷丸覆盖率的定义是指喷丸强化后被喷零件表面的规定部位上弹痕所占面积与总面积的比值以百分率表示 通过输出仿真结果的喷丸表面所有节点的等效塑性应变来测量覆盖率如图 所示覆盖率的定义为在受喷工件表面留下等于或小于 的原始表面 如有超过 的表面覆盖率则用喷丸时间计算 由此可计算出不同弹丸速度下覆盖率达到 所需的弹丸数目如图 所示 图 单弹丸喷丸仿真 图 型试片表面结点的等效效果图塑性应变值图 不同速度下达到覆盖率为 的所需弹丸数量 大规模喷丸仿真中弹丸速度的测量如今的喷丸试验中大量的弹丸混合着压缩气体从喷嘴快速地发射出来无论是仿真方法还是理论研究中都需有限测量弹丸速度 而弹丸速度的准确测量与仿真和理论分析方法的准确性息息相关 通过之前的试验发现弹丸撞击到表面时由于弹丸之间相互碰撞导致弹丸速度分布不一致所以现阶段的测量弹丸速度的方法具有一定局限性对弹丸速度的测量实际上是为了仿真模拟和理论分析 等提出用等效弹丸速度代替实际的弹丸速度分布也就是使每个弹丸都具有相同的初速度而不需考虑所有弹丸的真实速度分布 文中建立一种利用 强度反推弹丸速度的测速方法建立 强度与等效弹丸速度之间的函数联系这种弹丸速度测量办法在仿真中高效可靠并保证了数值仿真模拟结果和试验结果的自然匹配测量弹丸的等效速度思路:通过利用 耦合仿真计算标准 试片各个速度的饱和点曲线再利用 中的重启动技术测出不同速度下应力释放后的弧高度值最后计算出弹丸速度与 强度的函数关系首先通过 进行 耦合仿真计算结果如图 所示图 喷丸仿真结果机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化 利用 的重启动技术将喷丸的底面约束释放得到应力释放后的位移结果图如图 所示图 应力释放后的位移图 根据仿真结果位移图计算出各个速度下不同尺寸弹丸的饱和点所对应的弧高度值(其中 弹丸直径.弹丸直径.弹丸直径.)也就是速度于 强度的对应关系如图 所示图 强度与速度的对应关系 结合大规模喷丸模拟的优势利用 耦合的海量弹丸仿真与传统仿真方法比较如图 所示图 两种模型对比 为展示利用 耦合的大规模弹丸仿真的优势对这两种模型以 万弹丸的喷丸计算工况进行分析并从节点网格单元数目、结果文件大小以及最重要的求解时间上进行比较()在 耦合模型中的节点单元数目大约是传统模型的/这是因为耦合模型中的 离散元单元是一种单节点的刚体单元(不划分网格)()利用耦合模型得到结果文件()是.传统的有限元模型方法获得结果文件是.主要的原因是 耦合模型中的 离散元单元不输出应力、应变等 结果()传统模型的求解时间是每个工况大约 而耦合模型的求解时间是 两种模型的分析计算是同一台 核并行计算机其性能为:搭载双路至强铂金 处理器、缓存 和 内存通道、内存容量、硬盘为 容量 运行系统为 模型的求解效率大约是传统模型的 倍 结 语文中建立了规模弹丸喷丸仿真 模型并进行了关键影响参数的计算分析得出了 强度与弹丸速度的对应关系能较快速、方便地对特定弹丸的喷丸强度实现标定实现了高效率的新型等效测量弹丸速度的目标为 中的喷丸领域相关的仿真模型构建、设计、研究提供了借鉴参考文献:.:.:.():.():.盛湘飞夏琴香程秀全等.基于随机弹丸的 铝合金喷丸的残余应力场.():.():.():.盛湘飞李 智赵科宇等.喷丸方法对不规则构件表面残余应力分布规律的影响.表面技术():.王延忠李 菲陈燕燕等.喷丸强化仿真与试验.北京航空航天大学学报():./.:():.():.():.制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用