对施加在叶片弹簧上的应力喷丸处理方法进行的计算研究

《International Journal of Fatigue》：A computational study of stress shot peening applied on leaf springs

　　

摘要

本研究提出了一种新颖的有限元（FE）建模方法，用于应力喷丸强化（SSP）过程。应力喷丸强化是喷丸强化的一种变体，常用于提高弹簧及其他对疲劳性能和安全要求极高的结构部件的疲劳寿命。所开发的方法包括一个三维FE模型，用于预测喷丸处理后表面的关键特性，特别是残余应力分布和表面粗糙度参数。该模型结合了喷丸介质和靶材组件的弹塑性材料行为，考虑了介质尺寸的随机变化，并纳入了热处理后表层因脱碳而导致的力学性能退化。表面属性通过纳米压痕测试和先进的重复FE算法进行了量化。针对不同的SSP情景进行了实验验证，证明了模型的可靠性，并能够详细分析喷丸尺寸、预应力大小和脱碳对最终表面状态的影响。

引言

随着时间的推移，喷丸强化（SP）已成为提高重复受载关键部件耐久性和疲劳寿命的关键方法，这些部件包括航空航天结构、汽车零部件和工业机械。通过用小球形颗粒对部件表面进行的高速冲击，可以诱导塑性变形，从而产生压缩残余应力（CRS）。这些残余应力增强了部件的疲劳强度，抵抗裂纹扩展，并削弱了拉伸工作应力的负面影响[1]、[2]、[3]。SP的基本原理在[4]、[5]中有详细记载。

一种改进的SP方法是同时在施加拉伸应力的条件下进行喷丸处理，即所谓应力喷丸强化（SSP）。这种方法能够进一步提高CRS的最大值和分布深度，因此常规SP过程的疲劳寿命增强效果也能得到进一步提升。现代文献将SSP过程称为“先进的普通喷丸强化方法”[6]。目前，SSP在板簧行业得到广泛应用[7]、[8]、[9]，同时也有在镁合金中的应用案例[10]。

鉴于SP和SSP对表面完整性和疲劳寿命的显著影响，理解其作用机制并准确预测表面状态至关重要。虽然实验研究能提供有关各种参数影响的宝贵见解，但耗时且成本高昂。在这种情况下，数值建模作为一种强大的工具应运而生，能够在受控和可重复的条件下深入探索SP过程。

计算模拟在理解和优化喷丸强化过程中发挥了越来越重要的作用。特别是有限元分析（FEA）在过去30多年里使工程师能够模拟喷丸与部件表面之间的复杂相互作用，探索各种工艺参数，并根据具体应用调整技术[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。这些模拟有助于预测喷丸强化的关键结果，如压缩残余应力和表面粗糙度，为工艺控制和质量评估提供有用信息。

尽管取得了这些进展，但准确模拟喷丸强化仍具有挑战性。现有模型的可靠性[4]、[16]在很大程度上依赖于使用真实的输入参数，如详细的材料属性、喷丸几何形状，尤其是该过程的随机本质。随着制造技术的发展，迫切需要更先进、更可靠的模拟方法来反映当前的工业需求，并利用材料科学的发展成果。

本研究致力于构建一个详细的三维（3D）SSP模拟模型，采用了FEA技术。在Al-Hassani对多次喷丸冲击的建模[17]和Hong对随机变量的研究[3]的基础上，该模型引入了新的功能以解决已知局限。这些功能包括使用真实的工业喷丸混合物、喷丸直径和位置的统计变化[18]，以及至关重要的喷丸本身的弹塑性行为——这是现有模型中经常被忽视的方面[18]、[19]、[20]。尽管最近的研究发现不规则形状和较宽尺寸分布的喷丸会产生不对称的压痕[21]，但纳入这种介质形状的变化（而不仅仅是尺寸）将提高模拟精度，尽管计算时间会大幅增加，不过球形介质仍是预测宏观残余应力的通用选择。

本研究旨在深入理解喷丸强化过程中表面应力和粗糙度的变化，并提供一种支持工艺优化的工具。所得模型结构紧凑且半自动化：输入SSP或SP参数并提取有意义的结果相对容易。这种方法旨在帮助弥合模拟与实际工业应用之间的差距，特别是在加大对部件耐久性要求较高的领域。

节选

有限元建模

所开发的三维模型专注于准确模拟整个SSP过程，从最初的预应力阶段到弹簧最终释放。模型中纳入了真实的工艺因素，如喷丸的随机特性，以及更为重要的脱碳区和材料性能退化。

研究结果

本文的研究重点关注两个主要课题：喷丸直径和预应力水平：

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不同喷丸直径的比较。 如早期文献[50]、[51]及近期文献[43]、[52]所述，喷丸直径对优化诱导的CRS场和表面粗糙度，进而影响被测试部件的疲劳寿命至关重要。

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不同预应力水平的比较。 如前所述，预应力会导致...

讨论

结果表明，SSP处理后的板簧中的CRS分布受施加的预应力与表层退化之间的相互作用支配。表面下特征性的“应力平台”无法通过标准的、均匀材料方法准确捕捉。实际上，这是由于在高应变率冲击下脱碳层比核心材料更早、更广泛地发生屈服所直接导致的物理现象。

参数化...

结论

本研究基于有限元方法开发了一种SSP建模方法，用于模拟真实的工业加工条件。该模型能够准确预测处理后部件（由51CrV4制成的汽车板簧）的表面状态，包括CRS和表面粗糙度参数。此外，它还可以作为进一步优化SSP工艺和机械部件结构设计的实用工具。

CRediT作者贡献声明

C. Gakias：负责撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论研究、概念化。

未引用的参考文献

[64]、[65]。

利益冲突声明

作者声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

同时感谢BETA CAE提供的ANSA和META软件。

C. Gakias

塞萨洛尼基亚里士多德大学机械工程学院机器元件与机械设计实验室，希腊塞萨洛尼基市校区，54124