噴丸強化仿真的案例
噴丸強化與激光噴丸
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噴丸強化簡介
噴丸強化是常用的表面處理技術之一，屬于冷加工方法的一種。噴丸過程即是大量球形小彈丸轟擊需加工的表面的過程，其目的是為了獲得更好的表面質量和更好的疲勞性能。噴丸強化在零件表面可以形成表面殘余壓應力（Compressive residual stress，CRS）層，表面壓應力可以有效增強零件的疲勞強度，延長零件的疲勞壽命；同時作為冷加工的方法，噴丸又能使零件表面位錯密度增高，表面晶粒細化，起到冷作硬化作用，同時也抑制了疲勞裂紋的擴展；噴丸方法還能將疲勞源由表面驅趕到零件表層以下。位于表層以下的疲勞源所引發的疲勞強度極限，或稱內部疲勞極限，是表層疲勞極限的1.3~1.4倍。
通過改變表面疲勞強度來改善零件疲勞強度的手段有很多，例如磨削加工、機械拋光、電解拋光、表面滲碳、滲氮、表面淬火、表面激光加工、表面滾壓、振動沖擊、拋/噴丸等。相比其他強化手段，噴丸強化方法受材料種類、材料靜強度，零件幾何結構和尺寸大小的影響較小，且成本較低。
噴丸強化的諸多優點使得對其的研究和興趣一直沒有中斷，由于噴丸是一種復雜的，過程隨機的工藝過程，以往針對其的研究多為試驗研究，實際工程中加工的工藝條件和工藝參數也都是人為根據工程經驗選擇的。然而實驗研究昂貴費時，實施不便；工業經驗應用范圍有限，且經驗的建立需要大量的試錯過程，不可能一蹴而就。試驗方法和工程經驗法的固有缺陷以及諸如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN/PATRAN等具有強大功能的有限元軟件的出現，將研究者的注意力吸引到了噴丸過程的數值仿真領域。數值仿真方法不僅經濟、易于實施，而且它同樣能對噴丸過程中彈丸沖擊靶材的機理做深入研究，能夠獲得大量試驗所需的應力應變，位移變形等參數。因此，數值仿真分析方法在噴丸領域的應用研究日益深入。
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噴丸強化作為一種成本低，適用范圍廣的表面強化技術一直有著不錯的生命力。在實際工程中，噴丸強度的覆蓋率和阿爾門強度均是通過試片試噴完成的，但是有限元仿真工作者們也一直沒有放棄使用計算機輔助技術來實現更低技術成本，更方便快捷的噴丸結果預測。
通常來說模擬噴丸過程有如下幾種套路：
單粒實體（或有質量的剛性殼體，下同）彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，合理的計算時間較短，一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。
多粒規則排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，一般在1~5小時左右。
多粒隨機排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。如果專注于殘余應力研究，此方法相比方法2并無明顯優勢，反而要花費不少時間在前處理上。此方法合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，通常達到100%覆蓋率和較均勻的應力分布時，再附加一小段穩定應力波動的時間，隨后即可停止計算，根據通常計算規模，計算時間從幾小時到幾十小時不等。
離散元模擬彈丸沖擊任意形狀靶材，適用于殘余應力分布研究，噴丸成形研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。仿真過程較為接近真實工藝，但是由于計算時間的約束，無法模擬真實工程中幾十秒到幾分鐘的大時間跨度過程。只能在合理的范圍內，對工藝時間進行大比例的壓縮。
等效方法（溫度等效法，壓力層法等等），此類方法適用于宏觀變形和應力的研究，而且往往是在獲取大量實驗數據之后才能進行有意義的等效。無法研究覆蓋率，表面粗糙度等表面完整性指標。但是勝在可以使用隱式分析，計算時間較短，可能是五種方法里最短的。不過對于復雜形狀的工件，其前處理較為繁瑣。
綜上分析，方法4在研究范圍上最為廣泛，較為適合研究機構和高校的研究工作。
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噴丸強化表面的疲勞過程
噴丸強化是利用高速彈丸流對金屬材料表面進行沖擊，使其表面及近表面發生塑性變形，出現應變硬化、組織結構和殘余應力的變化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室溫下和疲勞斷裂抗力和應力腐蝕開裂抗力。
本文研究了高強度彈簧鋼50CrVA無缺口板狀試樣經淬火回火后達到1200～1800MPa的抗拉強度時表面處理后的殘余應力，以及各種表面狀態下的疲勞行為。
材料和熱處理
50CrVA主要成分見表1。用長400mm的試樣先在860℃淬火，然后分別在390℃、500℃、615℃進行回火，獲得了抗拉強度為1200MPa、1500MPa、1800MPa的試樣。試樣按表2進行表面處理。
表1 50CrVA主要成分(%)
表2 表面狀態和材料狀態
試驗結果
試樣的加載采用四點彎曲法，最小應力為常數200MPa，最大應力可變。殘余應力的測試采用X射線法，晶格變形可按照Sin2ψ 法計算。為了測量殘余應力分布，使用電解拋光對試樣的表面進行連續剝層。
疲勞試驗前的表面狀態見表3，抗拉強度1500MPa的試樣表面粗糙度，在未噴丸時大約為31μm，而經噴丸處理后升高至63μm，強度為1200MPa的試樣情況與此類似。但1800MPa的高強度水平的試樣噴丸后表面粗糙度卻顯著的降低至37μm。
表3 疲勞試驗前的表面狀態
試樣表面上的殘余壓應力隨著抗拉強度的增加而增加，并且殘余壓應力的最大值和它在表面層下的深度也與此類似。預應力噴丸使試樣表面產生了最大的殘余壓應力，同時預應力噴丸不但使殘余應力的最大值增加，而且使最大值距表面的深度增加。
展開 噴丸強化基本概念
近期工作中接觸噴丸強化（強力噴丸）比較多，搜索了一些資料，做了一些筆記，記錄了一些照片，整理一下，與大家共享。希望與大家交流。
1.強化噴丸概念
在了解噴丸強化技術之前，我們有必要將拋丸、噴砂、噴丸的三個容易混淆的概念解釋一下。這三個概念其實就四個字：噴、拋、丸、砂，其中，噴拋是工藝方法，丸砂是使用的材料。噴，是用高壓空氣將丸、砂吹到工件的表面，拋是用高速旋轉的葉片拋射到工件表面，丸用的是鋼丸，砂用的是石英砂等。
噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程，有如無數小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產生極為強烈的塑性形變，使零件表面產生一定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件的疲勞強度。 測評強化丸質量有三個基本參數：強度、覆蓋率、表面粗糙度。
2.噴丸強度
影響噴丸強度的工藝參數主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時間等。彈丸直徑越大，速度越快，彈丸與工件碰撞的動量越大，噴丸的強度就越大。噴丸形成的殘余壓應力可以達到零件材料抗拉強度的60％，殘余壓應力層的深度通常可達0.25mm，最大極限值為１mm左右。噴丸強度需要一定的噴丸時間來保證，經過一定時間，噴丸強度達到飽和后，再延長噴丸時間，強度不再明顯增加。在噴丸強度的阿爾門試驗中，噴丸強度的表征為試片變形的拱高。
3.阿爾門（Almen）試驗
噴丸強度常用N試片（用于有色金屬試驗）、A試片（最常用）、C試片（更高強度）來進行測量， A試片和C試片之間關系為近似3倍關系。如用C試片測得強度為0.15-0.20C mm就相當于0.45-0.60A mm。圖中厚的為C試片，薄的為A試片。
試驗過程中，先測量試片原有變形，然后將卡好該試片的工裝置于噴丸箱內，采用與工件相同的工藝進行噴射。噴丸結束，取下試片，測量變形拱高。
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筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
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Abaqus 激光噴丸仿真案例講解
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2025大賽優秀作品 | 基于 Ansys Fluent 的旋流解吸器氣液傳質強化與 PBM 仿真研究
“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應用大賽優秀作品展示
本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。
作品名稱：基于 Ansys Fluent 的旋流解吸器氣液傳質強化與 PBM 仿真研究
作者： 李炎杰 | 華東理工大學 碩士研究生
關鍵詞：平板旋流解吸器，Ansys Fluent，群體平衡模型（PBM），硫化氫脫除
作者說
從平板旋流解吸器研發實踐看，Ansys Fluent 的多相流與群體平衡模型（PBM）耦合能力，精準攻克了旋流場中氣泡破碎、聚并及氣液傳質耦合等微觀瞬態過程的觀測難題。其參數化仿真功能，讓射流口、旋流腔等關鍵結構的優化迭代擺脫了傳統實驗的桎梏，可直接通過仿真定量分析驗證。而仿真與實驗數據的高度契合，不僅筑牢了模型可靠性根基，更幫我們實現從 “現象觀察” 到 “機制解析” 的跨越，深刻體會到 Ansys 工具在突破實驗邊界、加速新型氣液分離設備研發中的獨特賦能。
氣液傳質分離是化工、環保領域硫化氫脫除的核心過程，廣泛應用于油氣凈化、廢水處理等工業場景。傳統脫氣技術如篩板塔、填料塔依賴重力場驅動傳質，存在氣液接觸不充分、脫除效率低、能耗高的問題，且實驗法優化設備結構周期長、成本高昂。本研究設計新型平板旋流解吸器（PCD），通過旋流場強化氣液剪切與混合效應突破傳統局限。
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