在ABAQUS軟件中仿真純水射流沖擊7075鋁合金表面強(qiáng)化圖像分析

趙兮

摘 要：本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件ABAQUS模擬高壓純水射流試驗(yàn)，在保持靶材（7075鋁合金）的靶距、噴射的移動(dòng)速度、噴嘴直徑不變的情況下，通過(guò)改變射流水壓、射流角度來(lái)研究不同模擬狀態(tài)下產(chǎn)生的[xy]曲線，包括能量曲線、塑性應(yīng)變曲線、殘余應(yīng)力曲線、表面形貌曲線，探討殘余應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：高壓純水射流;表面強(qiáng)化;殘余應(yīng)力;表面型貌;表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TG54文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0062-04

1 研究背景

高壓純水射流沖擊強(qiáng)化是20世紀(jì)80年代末由Zafred[1]首先提出并發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)濕法噴丸強(qiáng)化新技術(shù)，是高壓純水射流技術(shù)相對(duì)較新的應(yīng)用領(lǐng)域，其具有受噴材料表面粗糙度值增加小、噴丸強(qiáng)度范圍寬、覆蓋率高、噴丸靈活、控制方便、無(wú)塵和安全綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。高壓純水射流作為一種新興的表層改性技術(shù)，通過(guò)合理調(diào)整工藝參數(shù)，可以在上述零件部位引入較大的殘余壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)有效的改性，提高零件的抗疲勞性能。

7075鋁合金是美國(guó)較早開發(fā)的一種鋁合金，其因強(qiáng)度高、重量輕的特性成為航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用范圍最廣的的金屬材料，常被用于制造大型整體結(jié)構(gòu)件，被譽(yù)為鋁合金中性能最優(yōu)良的產(chǎn)品[2]。用計(jì)算機(jī)仿真軟件ABAQUS模擬高壓水射流沖擊7075鋁合金靶材的目的是能直觀地獲取試驗(yàn)中很難獲取的物理參數(shù)與力學(xué)狀態(tài)，可以有效節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間、降低成本，為高效高精度的試驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。在此，對(duì)仿真的過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行論述。

ABAQUS是國(guó)際通用的有限元分析軟件之一，功能強(qiáng)大，能夠高效地模擬工程上的復(fù)雜問(wèn)題。純水射流沖擊強(qiáng)化的研究需要綜合考慮固體靶材的彈塑性特性、水的變形、求解計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度等問(wèn)題[3]。

2.2 建立模型

建立7075鋁合金的幾何模型，在ABAQUS軟件中建立簡(jiǎn)化之后的7075鋁合金幾何模型（見(jiàn)圖1）。

在ABAQUS中建立水滴和7075鋁合金的幾何模型，7075鋁合金和純水的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

2.3 網(wǎng)格劃分

①對(duì)水滴進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水滴網(wǎng)格控制屬性的單元形狀是四面體，單元類型中單元庫(kù)為Explicit，族為三維應(yīng)力線性階次，四結(jié)點(diǎn)性四面體單元C3D4，部種為2，并設(shè)置水滴的節(jié)點(diǎn)和慣量。

②對(duì)7075鋁合金進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋁合金網(wǎng)格控制屬性的單元形狀以六面體為主，單元類型中單元庫(kù)為Explicit，族為三維應(yīng)力線性階次，八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R，減縮積分，沙漏控制，部種為2。

③對(duì)水滴和靶材進(jìn)行裝配。

2.4 設(shè)置水滴和靶材之間的相互作用、邊界條件和載荷

因?yàn)樗魏桶胁牡木W(wǎng)格必須有一定的重疊，因此，水滴和鋁合金要在相互作用中進(jìn)行表面對(duì)表面接觸（Explicit）設(shè)置，在這里采用罰接觸方法，相互作用的屬性選擇力學(xué)-法向行為和切向行為，并根據(jù)需要設(shè)置表面粗糙度為3.2。

根據(jù)試驗(yàn)情況，靶材要固定在夾具上，且不可移動(dòng)的，需對(duì)靶材的底面設(shè)置“對(duì)稱—反對(duì)稱—完全固定”的邊界條件，即可限制靶材底面的自由度，以此來(lái)消除射流對(duì)靶體施加力的作用時(shí)導(dǎo)致模型分離。

2.5 研究的內(nèi)容

高壓純水射流沖擊靶體材料（7075鋁合金）的表面形貌測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)研究，塑性應(yīng)變、殘余應(yīng)力、表面粗糙度的應(yīng)力云圖及xy曲線，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

本文研究的純水射流沖擊強(qiáng)化涉及碰撞、接觸等復(fù)雜的非線性問(wèn)題，需要在顯示分析步ABAQUS/Explicit中求解流體與目標(biāo)靶材之間的過(guò)程。數(shù)值模擬研究了水射流的水壓[P]、射流速度[v]和入射角[α]對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。

3 模擬結(jié)果

純水射流高速?zèng)_擊使材料質(zhì)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，引起材料變形，可由材料質(zhì)點(diǎn)的能量體現(xiàn)。射流高速?zèng)_擊做功傳遞給靶體材料的內(nèi)能主要轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能。模擬過(guò)程中，能生成各種變化曲線，從這些曲線中，可以很有效研究殘余應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律。

3.1 在不同水壓作用下的殘余應(yīng)力

圖2為7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下，入射角[α]=90°的情況下，靶距為10mm，靶材的塑性應(yīng)變隨著水錘壓力的不斷增大，當(dāng)水錘壓力引起的靶材應(yīng)力超過(guò)靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使靶材產(chǎn)生塑性應(yīng)變，殘余壓應(yīng)力也隨之產(chǎn)生。此外，隨著射流壓力的增大，靶材塑性應(yīng)變明顯增大且深度加深，殘余應(yīng)力也在很短時(shí)間內(nèi)逐漸加大。

圖3是7075鋁合金在水壓80、120、160MPa和200MPa作用下靶材表面的應(yīng)力變化。從圖3可以看出，應(yīng)力變化過(guò)程充分顯示了水壓對(duì)靶材的作用。綜合靶材應(yīng)力變化情況和靶材塑性應(yīng)變可知，只有當(dāng)水錘壓力引起的材料應(yīng)力大于靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性應(yīng)變與殘余壓應(yīng)力隨即產(chǎn)生。所以，殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生是水錘壓力作用的結(jié)果。隨著水錘壓力升高，殘余應(yīng)力形成需要的時(shí)間越短。

3.2 不同入射角[α]對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖4是保持射流水壓200MPa不變，改變射流入射角度[α]，殘余應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)展的分布曲線。模擬結(jié)果表明，入射角較小時(shí)，隨著噴射時(shí)間的延續(xù)，殘余應(yīng)力分布不均勻，時(shí)而大時(shí)而小，殘余應(yīng)力波峰波谷較明顯，數(shù)值有正有負(fù)，既有殘余拉應(yīng)力，也殘余壓應(yīng)力，仿真效果較差，不利于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著噴射角度不斷加大，殘余應(yīng)力線的波峰波谷逐漸變小，當(dāng)噴射角度為直角時(shí)，殘余應(yīng)力線趨于一根平滑的曲線，分布也較為均勻，隨著噴射時(shí)間的推移，殘余應(yīng)力越來(lái)越大，這樣水射流強(qiáng)化效果是最好的。

3.3 表面形貌

表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形狀誤差及紋理等不規(guī)則的微觀幾何形狀，是由加工過(guò)程中切削、磨削引起的塑性變形及加工設(shè)備的振動(dòng)等原因造成的。

表面粗糙度分析。表面粗糙度是影響水射流沖擊強(qiáng)化效果的重要因素之一，其大小取決于靶材原始表面粗糙度。當(dāng)表面粗糙度偏高時(shí)，疲勞會(huì)產(chǎn)生于零件表面，并導(dǎo)致零件疲勞強(qiáng)度下降，所以，有效控制表面粗糙度，是保證強(qiáng)化效果的重要措施。在此，通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)7075鋁合金在不同的水壓、噴射角度下，對(duì)表面粗糙度進(jìn)行模擬分析，更深入地了解水射流狀態(tài)下表面粗糙度的變化。

從圖5可以看出，在不同的射流水壓沖蝕下，靶材表面形貌所表現(xiàn)出來(lái)的表面粗糙度形態(tài)也不同，如射流水壓為80MPa時(shí)，靶材在受到?jīng)_蝕0.002 5s之后形成波峰和波谷，但波峰波谷相對(duì)來(lái)說(shuō)成型不是很均勻，波峰波谷成型不是很明顯，表面粗糙度也較小。而在射流水壓為120MPa時(shí)，靶材在受到?jīng)_蝕0.002s后形成了波峰和波谷，并較之前形成的波峰和波谷大，表面粗糙度也相應(yīng)增大。在射流水壓達(dá)到200MPa時(shí)，波峰波谷的形成比較勻稱，表面粗糙度的大小達(dá)到一個(gè)新的高度。當(dāng)射流水壓增大時(shí)，靶材的表面粗糙度也加大，對(duì)靶材的沖蝕較為嚴(yán)重，靶材的表面粗糙度增大，相應(yīng)的殘余應(yīng)力也增大。

從圖6可以看出，當(dāng)噴射角度為30°到60°時(shí)，靶材的波峰波谷在前期表現(xiàn)得不是很明顯，圖像較分散，表面粗糙度相對(duì)較小;當(dāng)噴射角度達(dá)到75°時(shí)，靶材的波峰波谷呈現(xiàn)出相對(duì)平衡的狀態(tài)，圖像相對(duì)比較緊湊。從圖7可以看出，當(dāng)噴射角度達(dá)到90°時(shí)，波峰波谷達(dá)到一個(gè)新的高度，圖像曲線比較緊湊，表面粗糙度加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文描述了在ABAQUS軟件仿真高壓純水射流沖擊過(guò)程中，基于純水射流理論基礎(chǔ)，運(yùn)用ABAQUS的SPH方法模擬鋁合金7075作為靶材在不同的射流方式下所呈現(xiàn)的不同狀態(tài)。在試驗(yàn)條件有限的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件仿真，并通過(guò)繪制[xy]曲線的方法得出試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)本次模擬試驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

①在水射流沖擊過(guò)程中，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的條件是當(dāng)水錘壓力引起的靶材應(yīng)力超過(guò)靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使靶材產(chǎn)生塑性應(yīng)變，殘余壓應(yīng)力也隨之產(chǎn)生。隨著射流壓力的增大，靶材塑性應(yīng)變明顯增大且深度加深，殘余應(yīng)力也在很短時(shí)間內(nèi)逐漸加大。

②只有當(dāng)水錘壓力引起的材料應(yīng)力大于靶材自身屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性應(yīng)變與殘余壓應(yīng)力才隨即產(chǎn)生。所以，殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生是水錘壓力作用的結(jié)果。隨著水錘壓力升高，殘余應(yīng)力形成需要的時(shí)間縮短。

③當(dāng)射流的水壓保持不變時(shí)，改變射流入射角度[α]，隨著噴射角度不斷加大，殘余應(yīng)力線漸漸趨于平滑且分布均勻，隨著噴射時(shí)間的推移，殘余應(yīng)力增大，水射流強(qiáng)化效果較好。

④保持射流角度不變，在不同射流水壓下，水壓對(duì)表面形貌呈現(xiàn)出不同狀態(tài)，當(dāng)射流水壓增大時(shí)，靶材的表面粗糙度也加大，對(duì)靶材的沖蝕較為嚴(yán)重，靶材的表面粗糙度增大，相應(yīng)的殘余應(yīng)力也增大。

⑤保持水壓不變，在不同水射流噴射角度下，其對(duì)靶材表面形貌影響，當(dāng)噴射角度達(dá)到90°時(shí)，表面粗糙度呈現(xiàn)最大值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zafred P R. High Pressure Water Short Peening：0218354B1 [P].1990-11-07.

[2]李戶航，鄭小偉，陳艷妮，等.7075-T651鋁合金薄壁件加工仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2018（2）：107-113.

[3]王培卓.6061鋁合金純水射流沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2017.