超声喷丸与传统喷丸对TC4钛合金残余应力影响的仿真分析

刘 辉 ，蔡 晋，孟庆勋 ，朱继宏

（1.西北工业大学机电学院，西安710072；2.沈阳航空航天大学航空宇航学院，沈阳110136）

0 引言

喷丸强化是通过改善构件表面应力状态，抑制表面裂纹萌生，从而实现高周疲劳性能显著提高的表面冷加工工艺[1]。传统喷丸（Conventional Shot Peening，CSP）包括气动式喷丸、抛丸等，弹丸重复冲击会在亚表层产生有益的加工硬化和残余压应力（Compressive Residual Stress，CRS），控制其工艺过程的目的是避免由于高速度和过度处理时间导致过度喷丸，从而产生有害的表面缺陷（重叠、鳞片等）。超声喷丸强化（Ultrasonic Shot Peening，USP）是将超声波能量转化为振动激励的机械能，弹丸受到振动激励，在特定设计的工装腔室中产生随机和重复的撞击。2种喷丸工艺弹丸冲击方式的差异对零件表面特性和机械性能有显著影响，对2种喷丸工艺表面强化的模拟分析及参数差异化定量描述方法有一定的研究价值。

由于控制方式不同，CSP与USP会产生不同的CRS场。Foss等[2]的研究表明如果引入的CRS层足够深，在高周微动疲劳下可阻碍裂纹萌生与扩展。这与美国Wright Patterson空军基地和Lambda研究中心研究结果相同[3]；NASA格伦研究中心的研究同样表明，引入并控制表面强化后产生的CRS层是提高疲劳寿命的关键[4]。Fathallah等[5]针对喷丸模型的恢复系数进行讨论分析，结合试验方法探讨了喷丸参数以及由此过程引起的CRS；Al-Obaid[6]早在1990年进行基于3维等参单元研究，提出1种动态分布有限元方法，得到残余应力分布并建立喷丸的理论模型；Meguid等[7-8]提出1/4对称喷丸模型用来计算等效应力、等效塑性应变和弹性应变，提出喷丸强化的全面非线性动态弹塑性有限元分析，并关注数值收敛和CRS影响区的有效性；……