车体钢结构表面喷丸强化有限元分析_艾菊兰1.docx

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1、 分类号 ： TH117 单位代码 ： 10422 学 号 ： 0216023032 硕 士 学 位 论 文 Shandong University Masters Thesis 论文题目：车体钢结构表面喷丸强化有限元分析 作 者 姓 名 艾菊兰 专 业 机械设计及理论 指导教师姓名 专业技术职称 邓 建 新 教 授 2 0 0 7 年 9 月 2 5 日 / Dissertation Submitted for the Application of Masters Degree of Engineering FEA ON SURFACE SHOT PEENING TO STRENGTHEN

2、RAILWAY VEHICLE BODYWORK Candidate: Ai Man Specialty : Mechanical Design And Theory Supervisor: Prof.Deng Jianxin Shandong University September, 2007 原 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本课题的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律责任由本人承担。 论 文 作

3、 者 签 名 ： 吱 為 二 日 期 ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定） 目 录 m m . v Abstract . VII 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 车体钢结构强度分析的研究 . 4 1.3 铁道车辆车体钢结构疲劳寿命的研究 . 5 1.4 本课题研究

4、的主要内容和意义 . 7 1.4. 1 本课题的主要研究内容 . 7 1.4.2 本课题研究的目的与意义 . 7 第 2 章车体钢结构喷丸强化技术研究 . 8 2.1 喷丸工艺 . 8 2. 1.1 喷丸设备的选用 . 8 2. 1.2 喷丸强化工艺参数的选择 . 8 2. 2 动态碰撞的研究 . 10 2. 3 本章小结 . 20 第 3 章车体钢结构喷丸强化运动仿真 . 21 3.1 喷丸强化目标钢板的受力分析 . 21 3. 2 喷丸强化过程有限元仿真 . 22 3. 2. 1 实体模型的建立 . 23 3.2.2 有限元模型的建立 . 24 3. 2. 3 求解 . 25 3. 3 结

5、果显不 . 25 3. 3.1 喷丸强化动态显示与分析 . 25 3. 3. 2 动态显示碰撞过程的等效应力分布 . 28 3.3.3 动态显示 X、 Y、 Z 方向应力分布 . 32 3. 3. 4 动态显示塑性应变分布 . 33 3.4 本章小结 . 37 第 4 章喷丸强化工艺参数优化 . 39 4_1 喷射速度的优化 . 39 4.1.1 喷射速度对等效应力的影响 . 39 4.1.2 喷射速度对塑性应变的影响 . 40 4.1.3 喷射速度对残余应力的影响 . 40 4.2 喷射角度的优化 . 43 4. 2.1 喷射角度对等效应力的影响 . 44 4. 2.2 喷 射 角 度 对

6、塑 性 应 变 的 影 响 44 4. 2.3 喷射角度对残余应力的影响 . 45 4.3 弹丸直径的优化 . 47 4_ 3.1 弹 丸 直 径 对 等 效 应 力 的 影 响 48 4. 3.2 弹 丸 直 径 对 塑 性 应 变 的 影 响 49 4. 3.3 弹丸直径对残余应力的影响 . 49 4. 4 本章小结 . 51 第 5 章车体材料喷丸强化试验研究 . 54 5.1 试验装置及工作原理 . 54 5. 1.1 试验装置 . 54 5. 1.2 工作原理 . 55 5. 2 试验用样板及弹丸 . 56 5.3 试验结果与分析 . 56 5. 4 本章小结 . 60 Tfe .

7、62 Pft . 64 Contents Abstract in Chinese . V Abstract in English.VR Chapter One Introduction. 1.1 The background of the researched subject . 1 1.2 Strength analysis research of vehicle body5s steel structure . 4 1.3 Fatigue life research of rail vehicle body steel structure . 5 1.4 Main contents and

8、 significance of the research . 7 1.4.1. Main contents of the researched subject . 7 1.4.2. Significance of the researched subject . 7 Chapter Two research of Shot-peening Reinforcement Technology for vehicle bodys steel structure . 8 2.1 Shot-peening technology . 8 2.1.1 equipment of shot-peening .

9、 8 2.1.2. Selection of technological parameters of shot-peening reinforcement . 8 2.2 Research of DynamicCollision Problem . 10 2.3 Summary of this chapter . 20 Chapter Three Motion Simulation of Shot Peening reinforcement . 21 3.1 Stress analysis of the target steel during shot-peening reinforcemen

10、t . 22 3.2 Limited element simulation in the process of shot-peening reinforcement. 23 3.2.1 Establishment of solid model . 24 3.2.2 Establishment of limited element model . 25 3.2.3 Solving . 25 3.3 Resulting display . 25 3.3.1 Dynamic display and analysis of shot-peening reinforcement . 28 3.3.2 D

11、ynamic display effective equivalent stress distribution in the process of collision . 28 3.3.3 Dynamic displays stress distribution in X， Y， Z directions . 32 3.3.4 Dynamic displays plastic strain distribution . 33 3.4 Summary of this chapter . 37 Chapter Four Parameter Optimization of Shot-peening

12、Reinforcement Technology . . . 4.1 Optimization of peening speed . 39 4.1.1 Influence of peening speed on effective stress . 39 4.1.2 Influence of peening speed on plastic strain . 40 4.1.3 Influence of peening speed on residual stress . 40 4.2 Optimization of collision angle . 43 4.2.1 Influence of

13、 collision angle on effective stress . 44 4.2.2 Influence of collision angle on plastic strain . 44 4.2.3 Influence of collision angle on residual stress . 45 4.3 Optimization of projectiles diameter. 47 m S 4.3.3 Influence of projectile diameter on residual stress . 49 4.4 Summary of this chapter .

14、 51 Chapter Five Test Research of Shot-peening Reinforcement for Vehicle Body5s Materials . 54 5.1 Test devices and working principle . 54 5.1.1 Test devices . 54 5.1.2 working principle . 55 5.2 template for the test and projectile . 56 5.3 Test results and analysis . 56 5.4 Summary of this chapter

15、 . 60 Conclusion . 62 Appendix . 64 Bibliography . 71 Acknowledges . 75 Publications during study for Master degree . 76 摘要 摘要 本课题从车体钢结构亟需提高其使用寿命的实际需求出发，运用计算机仿真 技术对车体钢结构进行喷丸强化过程的运动仿真，通过喷丸工艺引起的应力、应 变场进行数值模拟，运用有限单元法对弹丸撞击后钢板材料表面应力、应变的分 布进行了数值计算和统计分析。研究了喷射速度、喷射角度和弹丸直径与残余应 力、应变的关系，选择几组典型参数比较，分析不同情况下喷丸对局部

16、变形的影 响，进而对车体钢结构喷丸强化工艺参数进行了优化选择。对得到的优化参数进 行试验研究，主要研究喷射速度和角度对钢结构表面强化效果的影响规律。 首先建立了有限元模型，设定喷射速度分别为 40m/s、 60m/s、 80m/s、 100m/s， 喷射角度分别为 45、 60、 75、 90，弹丸直径分别为 中 0.8_、巾 l.Omm、 4) 1.2mm、 41.6_、由 2.0_的情况下，进行单粒弹丸冲击同一目标钢板的喷丸强化过程仿 真分析。分析结果表明目标钢板受到弹丸反复冲击时应力和应变的变化规律是： 喷射速度和弹丸直径对应力、应变影响很大，而喷射角度主要影响应变。 通过对弹丸直径、喷

17、射速度、喷射角度工艺参数优化，得出：对于弹丸直径 为 喷 射 角 度 为 9 0 ， 选 6 0 8 0 m/s 的速度可以获得较好的综合效果； 对 于喷射速度为 80m/s， 弹丸直径为 41.0_, 喷射角度为 60 较合适； 喷射速度为 80m/s，喷射角度为 90，弹丸直径应取 41.0 $1.2mm。 对所确定的优化工艺参数进行了试验研究，主要分析了强化钢板表面宏观粗 糙度和硬度的变化规律，从中得出：在其它工艺参数相同时，弹丸速度越大，表 面粗糙度 Ra 升高越大；喷射角度越大，表面粗糙度越大。速度为 60m/s 时表面硬度 提高 24.1%;速度为 80m/s 时，表面硬度提高 3

18、8.6%;而在其它工艺参数相同时，喷 射角度对硬度的影响基本一致， 角度为 60 时表面硬度提高 24.1%;角度为 90 时 表面硬度提高 27.6%。速度一定时，喷射角度为 60比 90能更好地改善钢板表面 质量。角度一定时，仅仅考虑速度对钢板表面粗糙度的影响， 60m/s 的速度更合适。 这一结论与模拟计算得出的优化参数是一致的。 本课题的结果和研究方法应用于铁道车辆的生产与制造，将有助于材料表面 处理时选择恰当的工艺参数，对提高车体钢结构表面质量，延长车辆使用寿命有 重要的现实意义。 关键词：车体承载结构；喷丸强化； ANSYS/LS-DYNA;运动仿真；参数优化 Abstract T

19、his topic researched on how to enhance its service life of the chassis steel structure urgently according to our actual demand. It carries on using the computer simulation technology to the chassis steel structure shot peening strengthening process the movement simulation, through shot peening the s

20、tress, the strain field which the pill craft caused carries on the value simulation, the utilization limited unit law to the projectile hit rear spring material surface stress, the strain distribution has carried on the value computation and the statistical analysis. I have discussed the relations b

21、etween the jet speed, spray angle, the projectile diameter, the residual stress and the strain. I choose several groups of typical parameters to compare, in the analysis different situationshot peening to the local distortion influence, then shot peening strengthening craft parameter to the chassis

22、steel structure to carry on the optimized choice. To the optimized parameter which obtains has conducted the experimental study, mainly discussed the jet velocity and the angle to the steel structure surface strengthening effect influence rule. Firstly I have establishedshot peening strengthening fi

23、nite element model at the jet velocity as 40m/s, 60m/s, 80m/s, lOOm/s, the spray angle for 45, 60, 75, 90, the projectile diameter ;0.8mm, L0mm4.2mmJ.6mm?2.0min, the impact identical goal steel plate single grain of the pill. I have carried on the movement simulation using the finite element softwar

24、e to the establishment each kind of finite element model, had discovered the goal steel plate receives the projectile attacks repeatedly when the stress and the strain change rule: The jet velocity and the projectile diameter counter stress, the strain influence are very big, but spray angle major effect strain. Throu