高压水射流去毛刺机理的数值模拟研究

作     者：侯林利 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗键;杨伟斌

授予年度：2018年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高压水射流 毛刺 清洁度 数值模拟 

摘      要：高压水射流去毛刺技术是在水射流加工技术的基础上发展起来的一种新的清洁度控制工艺。其能在去除毛刺的同时完成对零件的清洗,大幅度提升被加工零件的清洁度。在汽车行业对零部件的清洁度要求日益严格的情况下,高压水射流去毛刺技术的应用备受关注,前景广阔。了解高压水射流去毛刺机理是选取其加工工艺参数以及保证毛刺去除效果的关键。本文采用数值模拟方法,分别对高压水射流流场、水射流冲击特性以及水射流冲击下的毛刺破坏进行研究,从而揭示高压水射流去除毛刺的机理。首先,以空气中的自由水射流为研究对象,基于大量的文献研究及流体力学理论分析了水射流的基本结构特征、数值模拟方法和冲击特性等,为后续的研究奠定了理论基础。其次,在理论研究的基础上,使用FLUENT中的Realizable k-ε两方程湍流模型和Mixture多相流模型对所设计喷嘴(直射型、T型喷嘴)在不同射流压力条件下所产生的水射流流场进行了数值模拟实验。利用数值模拟实验结果,研究了不同喷嘴结构型式下水射流的流场特性,并利用实验数据拟合获得了表征水射流加工性能的动压力与喷射距离之间关系的函数表达式。最后,为研究高压水射流的冲击特性以及毛刺在水射流冲击下的失效破坏。基于LS-DYNA,使用ALE方法结合Johnson-Cook材料模型,建立了水射流冲击靶板及毛刺去除的流固耦合有限元模型。并利用水射流流场仿真获得的水射流流场参数,对高压水射流冲击靶板及毛刺去除过程进行了数值模拟实验。通过水射流冲击靶板的有限元模型,对水射流的冲击特性进行研究。并通过实验结果,采用统计平均与数据拟合的方法,修正了水射流冲击中心处水锤压力和滞止压力的理论计算公式,并建立了水锤压力和滞止压力沿射流径向分布的数学模型。通过水射流冲击毛刺的有限元模型,对毛刺在水射流冲击下的失效破坏进行分析,揭示了水射流冲击下的毛刺破坏机理。并通过大量模拟实验数据拟合获得了射流压力与其能够去除的毛刺尺寸数学模型。