一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法技术

本发明专利技术公开一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法，基于商业CAE软件，利用温度差使强化层区域产生压缩应力，对材料或部件强化层和其他区域分别设置不同的温度值，从而用于模拟各种不同表面强化工艺所产生的残余压缩应力场，并且根据实测部件残余应力数据进行调整，使其与实测数据的残余应力梯度分布相吻合，利于后续的数值仿真计算。本发明专利技术可得到较为精确的结果，通用性强，效率高，经济性好，大大简化了仿真和设计过程，便于工程应用中快速、经济地推证出符合实测数据的残余压缩应力场。

A numerical reconstruction method for residual stress field of Surface-strengthened metal parts

【技术实现步骤摘要】
一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法
本专利技术涉及机械零件表面强化
，具体为一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法。
技术介绍
表面强化能够有效改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能。承受载荷的零件表面通常处于最大应力状态，并在不同的介质环境中工作。因此，机械零部件的疲劳失效和破坏也大多发生在表面或从表面起始。表面强化能够在零件表层引入一定的残余压应力，抑制疲劳裂纹的萌生及扩展，从而有效提高部件的抗疲劳开裂性能，大幅延长工作寿命。但表面残余压缩应力的存在也给结构强度评价和断裂力学仿真分析带来了巨大困难。工程实际中部件表面强化方式不尽相同，根据强化层残余应力的实测和经验数据，将残余应力梯度分布在有限元软件中准确重建，是断裂力学、动力学及结构强度数值仿真的关键与前提。进行有限元仿真计算时，首先要把因表面强化形成的残余压缩应力植入有限元模型中。而工程实际中部件表面强化方式不尽相同，如喷丸、滚压、激光冲击、表面感应淬火等，如果按照相应强化工艺进行模拟，模拟过程就会十分复杂，有效性也很难保证。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能够简化表面残余压缩应力仿真过程，便于工程应用中快速、经济地推证出符合实测数据的残余压缩应力场的表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法。技术方案如下：一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法，包括以下步骤：步骤1：使用商业CAD三维软件，根据实际部件的结构尺寸进行三维几何建模，并以STEP格式导出模型文件；步骤2：将所述模型文件导入商业CAE软件，采用完全六面体单元C3D8R进行网格剖分，并对强化层区域进行网格细分，以inp格式输出网格有限元模型；步骤3：在网格有限元模型中设置有限元分析所需的基本材料属性，添加材料的线胀系数属性；步骤4：先将整个模型的初始温度设置为室温，再将强化层区域的温度升高到温度值Thigh，其余区域的温度仍保持室温不变，从而用温度差异在高温区域产生的压应力来模拟的残余压应力；步骤5：获取输入的温度值Thigh与输出的应力值的对应关系，通过调整输入的温度值Thigh来调整计算得到的应力值，使其与试验测试得到的残余应力值相符；当计算得到的应力分布与试验测试的应力分布相近时，即为合适的Thigh；保持这一温度场不变，获得部件表面强化层的应力应变场。进一步的，步骤5之后还包括：将强化层根据深度分成不同区域，在每个区域分别设置一个温度值Thigh1,Thigh2,Thigh3….，从而得到接近真实强化效果的压应力梯度分布。本专利技术的有益效果是：本专利技术不使用复杂的数学模型或迭代公式，比较简便，通用性强，效率高，经济性好，大大简化了仿真和设计过程，适用于工程应用；不必根据实际表面强化工艺进行复杂有限元模拟，而是基于温度场导致的变形机制，简化了表面残余压缩应力仿真过程，便于工程应用中快速、经济地推证出符合实测数据的残余压缩应力场；可用于模拟各种不同工艺所产生的残余应力，通过细化网格和调整强化层不同区域的温度值，可得到较为精确的结果；同时，不受部件形状的制约，方板、圆柱、T型接头等其他形状均可有效模拟。附图说明图1为板状表面强化部件的三维建模及网格剖分。图2为温度场设置示意图。图3为板状试样表面残余压缩应力应变场及其梯度分布。图4为残余压缩应力场有限元模拟与实测数据对比。图5为圆柱表面强化部件有限元模型及其温度场设置示意图。图6为圆柱试样表面残余压缩应力应变场及其梯度分布。图7为圆柱试样残余压缩应力场有限元模拟与实测数据对比。图8为T型焊缝有限元模型。图9为相同载荷及边界条件下焊缝强化前后应力云图对比。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提出一种方便实用和普适性佳的强化层残余压缩应力场数值重建方法。具体步骤如下:步骤1：使用商业CAD三维软件，根据实际部件的结构尺寸进行详细的三维几何建模，并以STEP格式导出模型文件。步骤2：如图1所示，使用商业CAE软件，采用完全六面体单元C3D8R进行网格剖分，并对强化层区域进行网格细分，具体网格细化规模依据试验数据和所要求的仿真精度而定，以inp格式输出网格有限元模型。步骤3：在网格有限元模型中设置有限元分析所需的基本材料属性后，添加材料的线胀系数属性。步骤4：为模型设置两个分析步，第一步中设置整个模型的初始温度为室温（通常为20°C）；在第二步中将强化层区域的温度升高到某个温度值Thigh（例如120°C），其余区域的温度仍保持室温（20°C）不变。这种温度差异会使高温区域产生压应力，相当于所要模拟的残余压应力。步骤5：经过几次试算，将仿真模拟值与经验或者实测值进行比较，找到合适的Thigh，保持这一温度场不变，可获得部件表面强化层的应力应变场。获取输入的温度值Thigh与输出的应力值的对应关系，通过调整输入的温度值Thigh来调整计算得到的应力值，使其与试验测试得到的残余应力值相符；当计算得到的应力分布与试验测试的应力分布相近时，即为合适的Thigh。步骤6：通常为了精确模拟表面强化部件的残余应力场，可进一步将强化层根据深度分成不同区域，在每个区域分别设置一个温度值（Thigh1,Thigh2,Thigh3….），如图2所示；从而得到更准确的接近真实强化效果的压应力梯度分布，如图3所示。实施例1：一板状试样其形状如图1所示，试样上下表面经过表面强化处理，划分网格时在其强化层区域网格划分较为细密。将网格模型导入有限元分析软件，在试样强化层和非强化层设置不同的温度值，利用温度差使强化层区域产生压缩应力。为使结果更精确，可将强化层不同区域设置一个温度梯度，如图2所示。图3为有限元模拟的残余压缩应力梯度分布。在设置温度时，要根据试验测试值进行试算以找到合适的Thigh，最后得到与实测残余应力分布相吻合的模拟残余应力场，如图4所示。实施例2：具体步骤与例1相同，只是将板状试样改为圆柱形试样，圆柱试样外表面为表面强化层。此例证明专利技术中所述方法不受部件形状的限制。实施例3：为一T型焊接接头，其焊缝强化区域如图8所示。焊接结构在疲劳载荷作用下，多在焊缝处萌生疲劳裂纹致部件断裂失效，因此工程中会在焊缝部位进行强化处理，以提高其疲劳性能。图9所示，可在焊缝区域和部件其他区域设置温度差，模拟焊缝区域强化后的残余压缩应力，专利技术所示方法对于焊接结构这样较为复杂的结构也同样适用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：使用商业CAD三维软件，根据实际部件的结构尺寸进行三维几何建模，并以STEP格式导出模型文件；步骤2：将所述模型文件导入商业CAE软件，采用完全六面体单元C3D8R进行网格剖分，并对强化层区域进行网格细分，以inp格式输出网格有限元模型；步骤3：在网格有限元模型中设置有限元分析所需的基本材料属性，添加材料的线胀系数属性；步骤4：先将整个模型的初始温度设置为室温，再将强化层区域的温度升高到温度值

【技术特征摘要】
1.一种表面强化金属部件的残余应力场数值重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：使用商业CAD三维软件，根据实际部件的结构尺寸进行三维几何建模，并以STEP格式导出模型文件；步骤2：将所述模型文件导入商业CAE软件，采用完全六面体单元C3D8R进行网格剖分，并对强化层区域进行网格细分，以inp格式输出网格有限元模型；步骤3：在网格有限元模型中设置有限元分析所需的基本材料属性，添加材料的线胀系数属性；步骤4：先将整个模型的初始温度设置为室温，再将强化层区域的温度升高到温度值Thigh，其余区域的温度仍保持室温不变，从而用温度差异在高温区...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴圣川，刘宇轩，康国政，阚前华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51