【摘要】：建立含裂紋缺陷四點彎和超聲表面滾壓加工的耦合三維有限元模型,使用有限元軟件ABAQUS模擬了四點彎及超聲表面滾壓加工過程.分析了超聲滾壓加工前后四點彎試樣三維靜態(tài)裂紋的張開角度、位移、裂紋尖端應力場和J積分變化規(guī)律,討論了超聲表面滾壓加工抑制裂紋擴展的機理.結果表明,超聲滾壓處理后,四點彎試樣表層裂紋發(fā)生閉合,內部裂紋張開角度和位移明顯小于未進行超聲滾壓處理的試樣;USRP處理后裂紋尖端的拉應力降低,且距離超過裂紋尖端0.06 mm的應力由拉應力轉變?yōu)閴簯?USRP處理的位置處J積分數(shù)值顯著減小,裂紋擴展傾向降低.
【圖文】：

28焊接學報第38卷1．2四點彎和超聲滾壓加工耦合模型為了更精確的描述硬質合金球作用下工件表面的裂紋尖端殘余應力場和J積分變化情況，通過設定不同工作頭的位移載荷，分別建立了應力腐蝕試驗四點彎曲模型及超聲表面滾壓加工和四點彎耦合的單點沖擊面－面接觸模型，其中三維靜態(tài)I型裂紋的模擬采用ABAQUS預置crack的方法．四點彎模型尺寸滿足ASTMG39中應力腐蝕試驗彎梁試樣標準，如圖1所示．圖1四點彎試樣Fig.1Sizeoffourpointbendingspecimen四點彎夾具的撓度值按照施加應力為屈服強度的90%進行計算，通過式(6)或式(7)求得撓度值y為3．009mm．σ=12Ety/(3H2－4A2)(6)y=σ(3H2－4A2)12Et(7)式中:σ為最大張應力為610×90%MPa;E為彈性模量為253GPa;t為試樣厚度為2mm;H為外支點間的距離為110mm;A為內外支點間的距離為27．5mm;y為外支點間的最大撓度．模型中工作頭和四個支柱的強度遠高于試件，可視為剛體，其單元類型均為四節(jié)點三維雙線性剛性四面體Ｒ3D4，其中合金球直徑5mm，支柱直徑4mm．試樣的幾何尺寸為116mm×16mm×2mm的長方體，單元類型為8節(jié)點減縮積分實體C3D8Ｒ．三維I型裂紋位于試樣中部，幾何尺寸為16mm×1mm的平面矩形，擴展方向垂直于試樣表面．為避免裂紋尖端產生奇異性，將裂紋尖端的單元類型選為6節(jié)點四面體C3D6，而試樣其他位置的單元類型選為C3D8Ｒ，其中四點彎和超聲滾壓耦合模型共有13165個單元和16073個節(jié)點．圖2為四點彎和超圖2有限元模型網格劃分示意圖Fig.2FEMmeshgeneration聲滾壓耦合模型的模型網格劃分示意圖．1．3邊界條件與載荷四點彎模型:定義上部支柱為完全約束(U1=U2=U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷?

5mm;y為外支點間的最大撓度．模型中工作頭和四個支柱的強度遠高于試件，可視為剛體，其單元類型均為四節(jié)點三維雙線性剛性四面體Ｒ3D4，其中合金球直徑5mm，支柱直徑4mm．試樣的幾何尺寸為116mm×16mm×2mm的長方體，單元類型為8節(jié)點減縮積分實體C3D8Ｒ．三維I型裂紋位于試樣中部，幾何尺寸為16mm×1mm的平面矩形，擴展方向垂直于試樣表面．為避免裂紋尖端產生奇異性，將裂紋尖端的單元類型選為6節(jié)點四面體C3D6，而試樣其他位置的單元類型選為C3D8Ｒ，其中四點彎和超聲滾壓耦合模型共有13165個單元和16073個節(jié)點．圖2為四點彎和超圖2有限元模型網格劃分示意圖Fig.2FEMmeshgeneration聲滾壓耦合模型的模型網格劃分示意圖．1．3邊界條件與載荷四點彎模型:定義上部支柱為完全約束(U1=U2=U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷．四點彎和超聲滾壓耦合模型:在上述模型的基礎上增加了超聲滾壓工作頭和試樣上表面之間的面面接觸．單點沖擊過程中試件的底面選擇完全約束．由于USＲP處理前后試樣厚度方向變化量的測量值約為0．12mm，設定工作頭的位移載荷為－0．12mm．單點沖擊完成后，去除試樣底面的完全約束，而設定上部支柱為完全約束，并對下部支柱施加y方向3．009mm的位移載荷．兩個模型的分析步類型均為StaticGeneral，即模型的運算過程均采用ABAQUS/Standard進行靜力分析．2模擬結果與討論分析2．1裂紋張開位移圖3為四點彎試樣裂紋張開形貌．對比可知，含裂紋缺陷試樣經USＲP處理后，試樣表層的裂紋發(fā)生閉合，且內部裂紋張開角度和位移明顯小于未進行USＲP處理的試樣．圖3裂紋張開形貌Fig.3ShapeofcrackUSＲP處理和非USＲP處理四點彎試樣的裂紋張開位移所得結果如
【作者單位】： 中國石油大學(華東)機電工程學院;
【基金】：國家自然基金資助項目(51105383) 泰山學者建設工程資助項目(2015) 中國石油大學(華東)科研創(chuàng)新團隊建設計劃資助項目(15CX08006A)
【分類號】：TG663;TG306

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本文編號：2537105