单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

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1、航空学报ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／caJul，252012V01．33No71265．1274ISSN1000-6893CN11-1929／vhttp：／／hkxbbuaaedu．CRhkxb@buaa．eduCI'I文章编号：1000—6893(2012)071265—10单边缺IZl拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析汤英1，张晓晶h*，吴学仁21，上海交通大学航空航天学院，上海2002402．北京航空材料研究院，北京100095摘要：采用有限元计算软件ABAQus／Expl-cit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SEN

2、T)试样喷丸强化的三维有限元模型，分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子，并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K。的影响。计算结果表明：当裂纹尺寸较小时，表面残余压缩应力越大，残余压缩应力强度因子绝对值一K。。越大；随着裂纹尺寸的增加，残余压应力层越深，一K。最大值的发生位置也越深；当裂纹达到一定尺寸时，一K。受残余压应力场深度变化规律的影响，即残余压应力场的深度越大，一K。。越大。关键词：喷丸；有限元；三维权函数法；残余应力；应力强度因子中图分类号：V215文献标识码：A喷丸强化常用于提高材料和零件

3、的疲劳强度，是延长疲劳寿命最有效的表面工程技术之一[】]。喷丸强化引人的残余压应力主要从两个方面提高材料疲劳性能：一方面喷丸强化降低了零件表面的有效应力幅值，并使疲劳裂纹“转移”到材料内部，即改变了疲劳裂纹源的萌生位置；另一方面喷丸强化引入的残余压应力增加了裂纹闭合效应，降低裂纹扩展的有效应力强度因子变程△K“和应力比尺，使裂纹扩展速率显著下降。以上两个方面在不同结构、不同应力水平下所占的权重不同。当疲劳裂纹萌生寿命为疲劳寿命的主要部分时，疲劳裂纹源萌生位置的改变是提高材料疲劳性能的主要原因；当疲劳裂纹扩展寿命为主导时，喷丸引起的裂纹扩展速率下降则成为主要影响因素。已有的

4、研究主要集中于喷丸强化对疲劳极限的影响[2]，并对此发展了多种用于获得喷丸强化引入的残余应力场的试验与数值分析方法[3。]。近年来，基于断裂力学的小裂纹理论对高强度铝合金喷丸强化后的疲劳全寿命预测取得了较好进展。6j。对于单边缺El拉伸(SENT)试样．试验研究表明[7]：80％～90％的疲劳寿命消耗在裂纹长度小于数十微米的小裂纹扩展阶段，因此高精度的三维裂纹应力强度因子K是定量分析喷丸强化技术和进行疲劳寿命预测的核心。长期以来许多研究者为发展和改进三维裂纹应力强度因子K的求解方法做出了巨大努力。Raju和Jr，Newman[81采用有限元法得到高精度的K解，但对于复杂应

5、力场，有限元求解的工作量很大。wu等基于二维权函数理论[93和片条合成法提出了三收稿日期：2011-09—09：退修日期：2011—11．17：录用日期：2011—12—19：网络出版时间：2011—12．2818：17网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detai{／111929V．20111228．1817．004hlml*通讯作者Tel．：021-34207962E-mail：zhangxj76@sjtueducrl{

6、角格式：TangY，ZhangXJ．WuXRAnalysisofresidualstressesandthreedimensionalst

7、ressintensityfactorsforshotpeenedsingle-edge-notch-tensionspecimensActaAeronaut，caetAstronaut／caSin／ca．2012．33(7)：1265-1274汤英．张晓晶，吴学仁．单边缺豇拉伸试样喷丸强化残余应寿及其三维应力强度因子分析?航空学报．2012．33(7)：1265-1274航空学报Jul252012V01．33No．7维裂纹权函数解法[】o]．该方法能高效、高精度地求解受任意复杂应力场作用下三维裂纹的K值。但目前针对不同喷丸参数引起的残余应力场对三维裂纹K值影响的分析工作

8、很少。本文采用有限元法分析喷丸参数对残余应力的影响，采用权函数法求解各种残余应力下的三维应力强度因子，分析喷丸参数对应力强度因子的影响，为SENT试样喷丸强化工艺的选择和寿命分析提供参考和分析手段。1数值模型和方法1．1材料与试样选用40Cr钢进行喷丸强化数值模拟研究，其力学性能如表1所示。采用图1所示的SENT试样。表140Cr钢的力学性能Table1Mechanicalpropertiesof40Crsteel卜[二肯I—lOO一：I=jk一(a)GeometricconfigurationofspecimenIJI(b)