超声波喷丸加筋板成形工艺研究

作     者：周友良 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁世红;成书民

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：超声波喷丸 加筋板 成形曲率 残余应力 数值模拟 

摘      要：加筋板是工程领域常见的轻量化结构,既能减轻结构自重又能满足结构强度和刚度要求,被广泛运用于航空航天等工业领域。目前采用机械喷丸工艺对加筋板进行成形时,存在带筋板区域弯曲变形量不足的问题,亟需开展加筋板新型喷丸成形工艺研究。超声波喷丸技术作为一种新型喷丸工艺,可以获得比传统机械喷丸更大更深的残余压应力场,能大幅提高加筋板喷丸成形弯曲变形量,同时表面质量和成形后综合性能也优于传统机械喷丸,为加筋板提供了一种成形新途径。本文运用超声波喷丸成形工艺,以加筋板为研究对象,在超声波喷丸板件成形理论分析的基础之上,对超声波喷丸加筋板成形的成形量、成形特性以及表面性能进行了研究,并结合数值分析方法对超声波喷丸加筋板成形过程进行了模拟,主要研究工作如下:1.理论分析了超声波喷丸的成形过程。基于Hertz碰撞理论,研究了超声波喷丸过程中板件的变形情况和受力情况,探讨了弹塑性变形前后凹坑直径、凹坑深度和冲击力的大小以及回弹后残余应力沿深度方向的分布关系,分析了残余压应力场的产生过程以及板件弯曲变形和残余应力场的关系,推导了板件成形曲率半径与残余压应力的计算公式。2.对无筋壁板进行了超声波喷丸成形试验,分析了不同喷丸轨迹对无筋壁板曲率半径的影响,研究发现采用展向喷丸轨迹可以在提高壁板弦向变形程度的同时降低展向变形程度,有利于改善壁板球面变形趋势。基于展向喷丸轨迹,对加筋板进行了超声波喷丸成形试验,对影响加筋板成形曲率半径的主要喷丸工艺参数进行了研究,分析了加筋板基本弯曲变形规律。结果表明:在展向喷丸轨迹下,加筋板展向与弦向曲率半径的比值基本在11倍以上,此时加筋板展向变形很小可忽略不计,加筋板近似呈现弦向单曲率变形趋势。同时,还获得了加筋板较优成形工艺参数。3.对超声波喷丸后加筋板试件的表面性能进行了研究,分析了不同喷丸工艺参数对试件表面形貌、表面粗糙度、显微硬度以及残余应力场的影响。结果表明,与未喷丸试件相比,超声波喷丸后,成形件的表面粗糙度有所增加、表面硬度得到增大、并在材料表层产生了呈“√状分布的有益残余压应力场,这表明了超声波喷丸成形技术是集塑性成形和冲击强化为一体的新工艺。同时,还获得了加筋板较优表面性能参数。4.通过动态仿真与静态仿真相结合的方法,建立了超声波喷丸加筋板成形数值分析模型,利用有限元分析方法,研究了不同喷丸工艺参数对加筋板成形曲率半径以及残余应力场的影响,并将数值分析结果和试验结果进行比较,二者的数据误差很小,验证了有限元模型的可靠性,为研制开发大变形机翼壁板的超声波喷丸成形工艺提供理论及数据参考。