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表面技术 2021年第9期50卷 81-90,151页

作者：王成李开发胡兴远王龙安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

目的探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法。首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模... 详细信息

目的探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法。首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程。基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核。其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100%和200%喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证。最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为。结果对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著。对于相同的外加载荷工况,200%喷丸覆盖率工况比100%喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率。结论喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展。

关键词：喷丸强化不锈钢疲劳裂纹扩展残余应力喷丸覆盖率数值模拟

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气压驱动表面机械滚压设备研发及试验研究

气压驱动表面机械滚压设备研发及试验研究

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作者：胡兴远安徽理工大学

学位级别：硕士

“双碳”目标提出以来,汽车、航空和过程机械等工业领域对轻量化设计和制造的要求越来越高,对于高比强度金属材料的需求与日俱增。表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT)是21世纪研发的一种新型表面处理技术,能... 详细信息

“双碳”目标提出以来,汽车、航空和过程机械等工业领域对轻量化设计和制造的要求越来越高,对于高比强度金属材料的需求与日俱增。表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT)是21世纪研发的一种新型表面处理技术,能够在传统金属表层制备梯度纳米结构,在不牺牲金属材料塑性的前提下显著提高其韧性,为轻量化设计和制造提供了一种新思路。为了探究SMRT工艺参数对金属表层晶粒细化的影响规律,揭示SMRT制备梯度结构金属材料的变形机制,本文自主研发了一套气压驱动表面机械滚压处理设备,并利用该设备开展了SMRT 1060铝的试验研究。主要研究内容与结论如下:(1)基于WM210V型卧式车床,研发对称滚压装置和气压传动装置,搭建一套气压驱动表面机械滚压处理设备。选用万向滚珠作为机械滚压车刀,前后对称安装在车床刀架上,利用压缩机和气缸驱动车刀挤压圆柱体金属试样,设计控制系统实现车刀的自行往复运动,采用喷雾方式润滑冷却降低车刀与金属表面之间的摩擦和温度。整套设备研发完毕后,开展了气密性检测、静压力测试以及关键零部件的力学分析等,验证了本设备的可行性和有效性。(2)针对主轴转速、驱动静压力、滚压道次,设计正交试验工况表,开展1060铝的SMRT试验研究。结果表明:SMRT能够有效细化1060铝表层的晶粒尺寸,显著提高表层硬度和表面耐磨性。滚压道次对硬度的影响最大,随着深度的增加,静压力开始占据主导地位,转速的影响始终最小。合理的滚压参数会在1060铝亚表面形成一定厚度的硬度层,此硬度层与加工表面的耐磨性相关联。(3)根据SMRT试验工况,建立三维有限元模型,数值模拟SMRT圆棒金属试样过程,发现圆棒试样表层的等效塑性应变分布与试验观察到的晶粒尺寸分布以及硬度分布相一致,揭示了SMRT诱导金属晶粒细化的变形机制。在此基础上进一步开展了预加载荷对SMRT平板金属试样残余应力的影响,发现预加载荷会导致滚压表层产生残余拉应力,滚压后释放预加载荷会使最大残余压应力减小。本文的研究成果可为SMRT设备的研发和梯度结构金属材料的制备提供技术指导和理论支撑,有助于促进SMRT和梯度结构金属材料的工业应用,为新时代轻量化设计和制造技术提供一种新思路。

关键词：表面机械滚压处理滚压设备晶粒细化试验研究数值模拟

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喷丸强化Ti6Al4V钛合金的数值模拟

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航空动力学报 2021年第3期36卷 449-457页

作者：王成李开发姚尚成胡兴远安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

为了更加真实地模拟Ti6Al4V钛合金的喷丸强化过程,建立了一个基于概率控制多弹丸冲击靶面位置的三维喷丸有限元模型,以考虑喷丸强化过程中弹丸之间的相互作用。模拟了喷丸角度为60°和90°的两种工况,结果表明:对于相同的弹丸尺寸和初... 详细信息

为了更加真实地模拟Ti6Al4V钛合金的喷丸强化过程,建立了一个基于概率控制多弹丸冲击靶面位置的三维喷丸有限元模型,以考虑喷丸强化过程中弹丸之间的相互作用。模拟了喷丸角度为60°和90°的两种工况,结果表明:对于相同的弹丸尺寸和初始速度,达到完全喷丸覆盖率和饱和喷丸强度,60°喷丸角度工况在单位受喷面积上需要的弹丸个数为15/D2(D是弹丸直径),90°喷丸角度工况需要的弹丸个数为35/D2;在达到完全喷丸覆盖率的过程中,随着弹丸个数的增加,喷丸强化的残余压应力逐渐增大并趋于稳定,而受喷表面粗糙度基本呈线性增大;在完全喷丸覆盖率下,相对于60°喷丸角度工况,90°喷丸角度工况的表面残余压应力较小,但最大残余压应力较大,表面粗糙度也较大。

关键词：喷丸强化残余应力表面粗糙度喷丸覆盖率喷丸强度

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表面机械研磨处理纯铜的宏-细观耦合数值研究

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稀有金属材料与工程 2021年第11期50卷 3957-3965页

作者：王成胡兴远李开发李坤王龙王传礼安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室安徽淮南232001

发展一种耦合宏-细观的数值模拟方法,多尺度研究表面机械研磨处理(SMAT)纯铜的动态晶粒细化行为及残余应力状态。首先建立SMAT宏观有限元模型,计算SMAT细化的晶粒尺寸;然后根据平均晶粒尺寸建立细观多晶体模型,并将SMAT宏观有限元模型... 详细信息

发展一种耦合宏-细观的数值模拟方法,多尺度研究表面机械研磨处理(SMAT)纯铜的动态晶粒细化行为及残余应力状态。首先建立SMAT宏观有限元模型,计算SMAT细化的晶粒尺寸;然后根据平均晶粒尺寸建立细观多晶体模型,并将SMAT宏观有限元模型计算的滑移阻力导入到晶体塑性本构模型,同时将宏观模型输出的应变场转换成多晶体模型的位移边界条件;最后进行当前材料硬化状态下的晶体塑性有限元计算,进而分析宏观模型中一个材料点处细观组织结构的应力状态和晶粒取向分布。结果表明,在SMAT过程中,随着多弹丸不定向冲击次数的增加,纯铜表层细化的晶粒尺寸逐渐减小,表面宏、细观残余压应力逐渐增大,但晶粒取向分布的不均匀度呈现出先增大后减小的趋势。

关键词：表面机械研磨处理晶粒细化残余应力位错密度演化宏-细观耦合数值模拟

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