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基于ABAQUS的铝合金超声冲击处理有限元模拟

贾翠玲;陈芙蓉

【摘要】为了探究超声冲击处理对7A52铝合金材料应力应变的影响,采用有限元

分析软件AQAQUS建立了7A52铝合金的超声冲击处理模型,旨在探讨7A52铝

合金材料模型中应变率以及超声冲击次数对应力、应变的影响规律.结果表明:材料

的应变率和超声冲击次数均会影响应力应变;随着冲击次数的增加,x方向的压应力

会增大,且其压应力值存在的深度范围会增大;冲击次数对z方向应力的影响比x方

向应力的影响要大;随着冲击次数的增加,沿试板冲击深度方向的等效塑性应变值也

会增大,且其最大值位于距离试板冲击表面-定深度范围内;材料在高应变率变形条件

下,应变率对等效塑性应变有较大的影响;无论是否考虑应变率的影响,冲击次数对z

方向应力的影响都很显著,随着冲击次数的增加,其z方向的应力显著增大,且在相同

冲击次数下,冲击点处的z方向应力不考虑应变率影响比考虑应变率影响的数值要

大很多.

【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(035)003

【总页数】6页(P201-206)

【关键词】超声冲击;应力-应变;应变率;数值模拟

【作者】贾翠玲;陈芙蓉

【作者单位】内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业

大学工程训练中心,呼和浩特010051;内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩

特010051

【正文语种】中文

【中图分类】TG146

材料失效包括开裂、腐蚀及疲劳等,这些都与材料表面状态密切相关。目前,许多学

者提出很多用于提高材料力学性能的表面冷处理方法如机械喷丸、超声喷丸、激光

喷丸、水射流以及超声冲击处理等。超声冲击处理(UIT)与以上表面处理方法相比

具有设备简单紧凑、无丸粒回收、节能环保、不受材料及构件大小和形状等限制以

及可控可操作等优势[1],被广泛应用在材料表面改性方面。

超声冲击处理是利用高能量的超声波驱动冲击针在极短的时间内高速撞击金属材料

表面,一方面使材料表层产生一定厚度的纳米晶;另一方面使材料表层一定厚度范围

内产生塑性变形层,引入残余压应力场。而纳米晶和残余压应力均可提高材料的硬

度、强度及疲劳寿命等[2]。因此,研究分析超声冲击处理后的残余应力场的分布规

律,对提高超声冲击工艺水平和金属抗应力腐蚀能力是十分重要的。

文中采用有限元软件ABAQUS建立了7A52铝合金的超声冲击处理模型,考虑了是

否加入应变率影响的两种材料模型,得出相应的应力应变计算结果,并与文献比较分

析其影响规律,以期对超声冲击有限元模拟提供更加准确的材料模型。此外,考虑了

冲击次数对应力应变的影响,来预测超声冲击处理对该铝合金应力应变的改善情况,

为实际超声冲击处理工艺提供借鉴。

1.1超声冲击模型建立

利用ABAQUS软件建立单根冲击针的超声冲击三维有限元模型如图1所示,图1

中从上往下是变幅杆、冲击针、试件,其中变幅杆和冲击针的轴心在一条线上。为

了提高计算效率,所建模型为1/4模型,其中试件尺寸为10mm×10mm×8mm。试

件上面为冲击针,直径为4mm,高30mm,定义冲击针针头顶点参考点为RF1。冲击

针上面为直径18mm,高40mm的圆柱形变幅杆,与冲击针接触处的变幅杆轴心定

义为参考点RF2。通过多次测试最终确定试件与冲击接触区最小单元尺寸为

0.2mm×0.2mm×0.2mm,既能满足应力场计算精度又兼顾了计算效率.整个模型网

格划分采用八节点线性减缩积分单元C3D8R,单元数量为15884,节点数量为

18529。

在超声冲击过程中,变幅杆下表面与冲击针上端平面以及冲击针头与试件之间的接

触定义为面-面接触。冲击过程中的接触属性采用各向同性的罚函数来控制冲击针

与试件、变幅杆与冲击针之间的切向运动。分别定义变幅杆、冲击针和试件对x、

y轴的对称面约束;对变幅杆参考点RF2和冲击针参考点RF1设置除z方向的位移

约束;对试件底部实行全固定约束。根据实际超声冲击时工作频率和输出振幅对变

幅杆参考点RF2设置一个z方向的频率为17kHz,振幅为15μm的周期位移函数

载荷。

1.2材料模型

文中采用的试件材料为7A52铝合金,其化学成分如表1所示。7A52