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模拟抛丸过程与抛丸强化的方法和工具

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2018-03-10 09:39:52 浏览人数:1044,1,0
  抛丸中,钢丸的运动过程本质上属于离散介质的范畴,而抛丸后工件表面的应力应变过程属于连续介质的范畴,对两类问题进行数值模拟时应该选用最优的方法。 
模拟抛丸过程与抛丸强化的方法和工具
  抛丸过程与抛丸强化的模拟方法 :
  对于抛丸工艺中钢丸在抛丸器内的运动过程以及钢丸冲击工件后表面的应力应变过程的分析,有很多种不同的分析方法与软件,一类是拉格朗日轨迹追踪方法,这类方法是基于单个粒子运动的理论基础,又称离散元法(DEM);另一类是有限元法(FEM),是基于连续介质的力学方法。Favier[45]认为钢丸冲击工件的过程是离散元元素处理颗粒-结构相互作用场及 DEM 与多体动力学耦合的典型问题,离散法可以高效地计算钢丸冲击工件前的宏观运动过程,而有限元法(FEM)则适用于模拟钢丸冲击工件后应力-应变的微观过程。 
  离散元素法由 Peter Cundall 博士首次提出[46-48]。离散元素法是一种研究本质上属于非连续介质问题的数值模拟方法。在离散元法分析中,将每个散料颗粒建立单独的单元模型,
通过计算每个单独颗粒模型及其相互之间的作用,确定一个时间步长内所有单个颗粒模型的位移和力,从而对整个物体实现分析[49,50],接触模型和牛顿第二定律是离散元素法的基础,离散元素法的计算过程如图 2.8 所示。抛丸过程中钢丸-钢丸,钢丸-几何体的碰撞接触没有考虑相互之间黏结以及静电等其他较为复杂的关系,其钢丸颗粒也为常规的球形颗粒,因此选用的接触模型是 Hertz-Mindlin 无滑动接触模型。 
图 2.8 离散元素法的计算过程
图 2.8 离散元素法的计算过程 
  Courant 于 1943 年提出单元概念,Clough 于 1960 年就分析弹性力学平面问题的方法称为“有限元法”,有限元法是把研究对象看成连续的介质,这符合研究对象的本质,它是一种研究本质上属于连续介质问题的数值模拟方法,有限元法在分析的过程中首先将研究对象离散化,即将分析对象离散成有限个单元,其次对单元特性进行分析,用等效的节点力代替所有作用在单元上的力,再次进行单元组集,利用平衡条件和边界条件重新联结原有的结构,最后求解节点位移得出所有未知量[51,52]。其思想就相当于先化整为零,再集零为整的一个过程。 
  综上所述,如果运用有限元法模拟本质上属于非连续介质的颗粒流行为,势必要用连续介质模型进行描述,而钢丸运动行为是非线性的动态变化过程,有限元在分析非线性的动态散体物料问题时所涉及的小变形分析等条件的适用性会存在一些问题,而选择离散单元法分析抛丸中钢丸的宏观运动过程,不仅能更加真实地贴合抛丸的工程实际,也能更加清楚地模拟钢丸颗粒流在抛丸器内的运动规律和运动状态[31]。同理,如果采用离散元法模拟本质上属于连续介质的应力应变行为,这与离散元法的基本原理不符,因此选择有限元法作为模拟钢丸冲击工件后的应力应变微观过程的方法。 
抛丸过程与抛丸强化的模拟工具:
  对于抛丸中钢丸运动的过程选用离散元素法进行分析,采用离散元数值模拟技术模拟颗粒流的行为,无论是从离散元素法的基本原理还是颗粒流本身的特性上来讲都是非常合适的。就基于离散元素法的软件而言,继 Peter Cundall 博士提出离散元素法后美国 ITASCA公司开发了一系列的离散元程序,如二维 UDEC、三维 3DEC、二维盘型单元的 PFC2D、三维球形单元的 PFC3D 等,前两者主要专业于力学及采矿过程的工程应用,后两者则应用于破损累计导致的破裂、动态破坏和地震响应等问题[53]。其后,英国 DEM-solution 公司开发的离散元软件 EDEM 主要用于颗粒流运动行为的模拟分析,它不仅能够方便模拟工程实际,还能够优化工程实际中人为无法观察的颗粒行为缺陷,并对其进行理论上的分析和纠正[54]。所以本文在对抛丸中钢丸的运动过程进行分析和研究时选取离散元软件 EDEM。 
  对于抛丸后工件表面应力应变行为的分析选择的是有限元法。基于有限元法的软件有很多种,应用最广泛的要数 ANSYS,
ANSYS 中的 LS-DYNA 程序是通用显式动力分析程序,特别适用于求解高速碰撞、爆炸和金属成形等动力冲击和非线性问题[55,56]。抛丸强化中钢丸与工件发生接触和碰撞,属于非线性接触碰撞问题,因此本文选择 ANSYS/LS-DYNA 对抛丸强化后工件表面的应力应变行为进行模拟和研究。 
本章小结:
  本章分析了钢丸在抛丸器内的运动过程以及抛丸强化理论,通过分析得出当工件材料性能一定时,钢丸的抛射速度、直径是影响抛丸清理和强化的主要因素。通过对钢丸在抛丸器内的运动过程展开理论推导分析,得出在抛丸器结构尺寸不变的情况下,影响钢丸抛射速度的主要因素是叶轮转速。在钢丸选择方面,要综合考虑钢丸的材料、直径以及硬度方面的因素,本文确定了钢丸的材料为铸钢丸,同时分析了分丸轮与叶轮安装角度对钢丸抛射速度的影响,其安装角度也是影响钢丸抛射速度的一个重要工艺参数。最后介绍了抛丸过程中钢丸流的运动过程和抛丸后材料表面应力应变过程的模拟方法及相关软件的选择,确定了基于离散元法的 EDEM 软件和基于有限元法的 ANSYS/LS-DYNA 软件为抛丸过程和抛丸强化分析的软件工具。后面的章节将先用 EDEM 软件分析叶轮转速、钢丸直径、分丸轮与叶轮安装角度对钢丸抛射速度的影响,再在离散元分析的基础上通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA 分析钢丸抛射速度、钢丸直径与抛丸强化机制的关系。 
本文来源青岛华盛泰抛丸机:http://www.qypaowanji.com/jishu/1044.html

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