噴丸工藝對18Cr2Ni4WA鋼殘余應力影響的有限元模擬

盧運鵬，汪崇建

(煤炭科學研究院上海分院， 上海 20030)

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噴丸工藝對18Cr2Ni4WA鋼殘余應力影響的有限元模擬

盧運鵬，汪崇建

(煤炭科學研究院上海分院， 上海 20030)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件模擬了在不同彈丸速度和半徑下噴丸強化后18Cr2Ni4WA鋼的表層殘余應力分布，并進行了試驗驗證。結果表明：18Cr2Ni4WA鋼表層中最大殘余壓應力隨著彈丸速度或彈丸半徑的增加均先增大后減小,當彈丸速度為120 m·s-1、彈丸半徑為0.6 mm時噴丸強化效果較佳；噴丸后鋼表層殘余應力分布的模擬結果和試驗結果相吻合，證明了模型的準確性。

關鍵詞：ANSYS/LS-DYNA軟件；有限元分析；殘余應力；噴丸強化

0引言

18Cr2Ni4WA鋼是制造采煤機行走輪的材料，其疲勞強度和疲勞壽命對采煤機的使用壽命和采煤效率影響很大[1]。噴丸強化技術是一種十分有效且適用范圍廣泛的表面強化處理技術[2]，這種技術利用大量高速運動的彈丸撞擊金屬材料的表面，使其表面發生彈塑性變形，進而產生殘余應力場來提高其疲勞強度，延長使用壽命。

采用試驗的方法(噴丸后用X射線衍射測強化后材料表層殘余應力)成本相對較高,而利用仿真分析的方法能夠極大地降低成本，同時能夠清楚地了解強化后殘余應力隨層深分布的情況。為此，作者利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立了噴丸強化有限元模型，模擬了不同彈丸速度和彈丸直徑噴丸對強化后18Cr2Ni4WA鋼表層殘余壓應力分布的影響并進行了試驗驗證。

1有限元模型的建立

利用ANSYS有限元軟件強大的建模功能和對多物理場耦合問題的求解功能，建立了采煤機行走輪用18Cr2Ni4WA鋼噴丸強化的有限元模型，并用ANSYS和LS-DYNA軟件相結合的方式進行分析求解[3-5]。

1.1　材料參數

采煤機行走輪材料為18Cr2Ni4WA齒輪鋼，有限元建模時以該齒輪鋼作為噴丸試樣和彈丸材料，其性能參數如表1所示，表面硬度為58～62 HRC，熱處理狀態為滲碳淬火，硬化層深度為1.5～2.0 mm。

表1　18Cr2Ni4WA鋼的材料參數Tab.1　Material parameters of 18Cr2Ni4WA steel

18Cr2Ni4WA鋼在載荷作用下會發生彈塑性變形，建模時試樣和彈丸均采用分段線性塑性模型，其應力-應變曲線是以數組的方式分段線性擬合的真應力-真應變曲線[3]，以此代入有限元模型。

1.2　模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立噴丸強化的模型，采用4層彈丸、100%覆蓋率疊加方式，如圖1所示。在顯示動力學分析過程中，可以認為將彈丸內所有節點的自由度都耦合到彈丸的質量中心上，以縮減顯式分析的計算時間。

圖1　四層彈丸100%覆蓋率疊加方式Fig.1　Four layer mode of shots with 100% coverage rate

由于噴丸試樣和彈丸的對稱性，只需要建立二分之一的有限元模型，同時為了提高計算效率，設置模型邊界的網格單元尺寸為逐漸增大，如圖2所示。選用SOLID164顯示動力學分析單元，試驗鋼的模型尺寸為12R×6R×2.1 mm，R為彈丸半徑，網格單元尺寸為0.02 mm。在有限元模型的左右側面(yz面)和底面施加非反射邊界條件，前后側面(xz面)施加對稱的邊界條件。

圖2　有限元模型Fig.2　Finite element model

提取噴丸區域沿試驗鋼厚度方向上(z向)每層平面(xy面)中所有節點的應力值并取平均值，以此作為試驗鋼中不同層深處的殘余壓應力，繪制殘余壓應力隨層深的變化曲線。

2模擬結果與討論

2.1　彈丸速度對殘余應力的影響

分別以80，90，100，110，120 m·s-1的彈丸速度對18Cr2Ni4WA齒輪鋼進行噴丸強化處理，模擬了彈丸速度對其表面殘余應力分布的影響。

從圖3可以看出，在不同彈丸速度下噴丸處理后，試驗鋼表面殘余應力隨著彈丸速度的增加逐漸增大，表面最大殘余壓應力在彈丸速度為120 m·s-1時達到最大。

由圖4可以看出，隨著彈丸速度的增加，試驗鋼中的最大殘余壓應力逐漸增加，且最大殘余應力的層深也呈增大的趨勢；在相同的彈丸速度下，殘余壓應力隨層深的增加先增大后減小；試驗鋼中的最大殘余壓應力出現在層深約200 μm處，此時彈丸速度為120 m·s-1時。

作者利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了彈丸速度從80 m·s-1到170 m·s-1時對試驗鋼表面殘余應力和鋼中最大殘余應力的影響，結果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著彈丸速度的增加，試驗鋼噴丸后表面殘余壓應力和最大殘余壓應力均發生波動性的先逐漸增大后減小的變化，兩者的變化曲線幾乎重合；當彈丸速度為120 m·s-1時，試驗鋼表面殘余壓應力和最大殘余壓應力均達到最大，分別為1 618,1 782 MPa。

綜上可知，當彈丸速度在120 m·s-1時，噴丸強化后試驗鋼的表面殘余壓應力和最大殘余壓應力均為最大，分別為1 618.9 ，1 782.6 MPa，最大殘余應力層深約為200 μm。因此，噴丸試驗時彈丸速度取120 m·s-1比較合適。

2.2　彈丸半徑對殘余應力的影響

采用半徑為0.4～0.8 mm的彈丸對18Cr2Ni4WA齒輪鋼進行噴丸處理，模擬了試驗鋼表層殘余應力分布，彈丸速度為90 m·s-1。

由圖6可以看出，試驗鋼表面殘余應力基本隨著彈丸半徑的增大而增加。

圖3　不同彈丸速度噴丸處理后試驗鋼表面殘余應力分布云圖Fig.3　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening at different shot speeds

圖4　不同彈丸速度下試驗鋼中殘余壓應力隨層深的分布曲線Fig.4　Residual stress vs layer depth curves of experimentalsteel at different shot speeds

圖5　不同彈丸速度下試驗鋼的表面殘余應力和最大殘余應力Fig.5　Surface residual stress and maximum residual stressof experimental steel at different spot speeds

圖6　不同半徑彈丸噴丸處理后試驗鋼的表面殘余應力分布云圖Fig.6　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening with different shot radii

由圖7可以看出，當彈丸半徑由0.4 mm增加到0.8 mm時，試驗鋼中的最大殘余壓應力隨半徑的增大先增加再減小，當彈丸半徑為0.6 mm時，最大殘余壓應力達到最大值，為1 174.6 MPa；最大殘余壓應力的層深基本保持不變，這是由于18Cr2Ni4WA齒輪鋼的屈服強度較高，在較低的彈丸速度下噴丸不易發生塑性變形而導致的；在相同的彈丸半徑下，隨著層深的增加，試驗鋼中殘余壓應力先增加后減小。

圖7　不同半徑彈丸噴丸強化后試驗鋼中殘余應力隨層深變化的曲線Fig.7　Residual stress vs layer depth curves of experimental steelafter shot peening with different shot radii

當彈丸半徑過大時，材料的表面粗糙度會增加，對精度有影響，且最大殘余壓應力會減小[6]，因此彈丸半徑應該選擇為0.6 mm。

3試驗驗證

采用氣動式數控噴丸設備對18Cr2Ni4WA齒輪鋼進行噴丸強化處理，彈丸材料為鑄鋼，硬度為58 HRC，選擇了兩組彈丸，速度分別為100，90 m·s-1,半徑均為0.8 mm。噴丸強化后采用電化學腐蝕剝層技術對齒輪鋼進行剝層處理，然后采用Proto-LXRD型X射線應力分析儀測試殘余應力隨層深的分布[7-8]。

由圖8可知，彈丸速度為80,100 m·s-1，半徑為0.8 mm時，齒輪鋼表層殘余應力分布的試驗結果和模擬結果是相吻合的，證明該模型具有一定的指導意義。

圖8　噴丸處理后試驗鋼中殘余應力分布曲線的試驗結果和模擬結果對比Fig.8　Comparison of experimental results and simulation results of residual stress distribution in experimental steel after shot peening

4結論

(1) 模擬結果顯示，試驗鋼表面殘余壓應力隨著彈丸速度或彈丸半徑的增加均增大，表層中最大殘余壓應力隨彈丸速度或彈丸半徑的增加先增大后減小；當彈丸速度為120 m·s-1、彈丸半徑為0.6 mm時噴丸強化效果較佳。

(2) 噴丸后18Cr2Ni4WA齒輪鋼殘余應力分布的模擬結果和試驗結果相吻合，證明了模型的準確性。

參考文獻：

[1]魏升,周常飛,汪崇建.采煤機行走輪疲勞壽命仿真分析[J].機械傳動, 2014,38(1):112-114.

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[3]張廣良.不同強度鋼噴丸殘余應力的有限元模擬[D].上海:上海交通大學, 2012.

[4]王玖,張志遠,方雄.彈丸直徑和速度對噴丸殘余應力分布的影響分析[J].材料科學與工程學報, 2013(4):588-591.

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[6]戴如勇.重載機車牽引齒輪表面噴丸強化及其表征研究[D].上海:上海交通大學, 2012.

[7]竇作勇,張鵬程,李云,等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭內部殘余應力的短波長X射線測試[J].機械工程材料, 2015,39(3):107-110.

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Finite Element Simulation of Shot Peening Effect on Residual Stress

in 18Cr2Ni4WA Steel

LU Yun-peng, WANG Chong-jiang

(China Coal Research Institute Shanghai Branch, Shanghai 200030, China)

Abstract:The residual stress distribution in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel at different shot speeds and shot radii was simulated with ANSYS/LS-DYNA finite element software, and the simulation results was verified by experiment. The results show that the maximum residual stress in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel first increased then decreased with the increase of shot speed or shot radius. The strengthening effect of the shot peening was relatively good at shot speed of 120 m·s-1and shot radius of 0.6 mm. The simulated results of residual stress distribution in surface layer of the steel agreed well with experimental results, proving the accuracy of the model.

Key words:ANSYS/LS-DYNA software; finite element analysis; residual stress; shot peening

作者簡介：劉奎武(1980-)，男，江蘇淮安人，講師，碩士。

基金項目：江蘇省自然科學基金資助項目(2009ZX04012-012)；2013年度省科技支撐計劃(工業)重點項目課題(BE2013009-4)；淮安市工業支撐項目(HAG2011014)。

收稿日期:2015-01-21；

修訂日期:2015-10-22

DOI:10.11973/jxgccl201512022

中圖分類號：TH142.2

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0091-04