在ABAQUS软件中仿真纯水射流冲击7075铝合金表面强化图像分析

赵兮

摘 要：本文运用计算机仿真软件ABAQUS模拟高压纯水射流试验，在保持靶材（7075铝合金）的靶距、喷射的移动速度、喷嘴直径不变的情况下，通过改变射流水压、射流角度来研究不同模拟状态下产生的[xy]曲线，包括能量曲线、塑性应变曲线、残余应力曲线、表面形貌曲线，探讨残余应力产生的规律。

关键词：高压纯水射流;表面强化;残余应力;表面型貌;表面粗糙度

中图分类号：TG54文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）26-0062-04

1 研究背景

高压纯水射流冲击强化是20世纪80年代末由Zafred[1]首先提出并发展起来的一项湿法喷丸强化新技术，是高压纯水射流技术相对较新的应用领域，其具有受喷材料表面粗糙度值增加小、喷丸强度范围宽、覆盖率高、喷丸灵活、控制方便、无尘和安全绿色环保等优点。高压纯水射流作为一种新兴的表层改性技术，通过合理调整工艺参数，可以在上述零件部位引入较大的残余压应力，实现有效的改性，提高零件的抗疲劳性能。

7075铝合金是美国较早开发的一种铝合金，其因强度高、重量轻的特性成为航空航天领域内应用范围最广的的金属材料，常被用于制造大型整体结构件，被誉为铝合金中性能最优良的产品[2]。用计算机仿真软件ABAQUS模拟高压水射流冲击7075铝合金靶材的目的是能直观地获取试验中很难获取的物理参数与力学状态，可以有效节约试验时间、降低成本，为高效高精度的试验奠定理论基础。在此，对仿真的过程与结果进行论述。

ABAQUS是国际通用的有限元分析软件之一，功能强大，能够高效地模拟工程上的复杂问题。纯水射流冲击强化的研究需要综合考虑固体靶材的弹塑性特性、水的变形、求解计算时间与计算精度等问题[3]。

2.2 建立模型

建立7075铝合金的几何模型，在ABAQUS软件中建立简化之后的7075铝合金几何模型（见图1）。

在ABAQUS中建立水滴和7075铝合金的几何模型，7075铝合金和纯水的相关参数见表1和表2。

2.3 网格划分

①對水滴进行网格划分，水滴网格控制属性的单元形状是四面体，单元类型中单元库为Explicit，族为三维应力线性阶次，四结点性四面体单元C3D4，部种为2，并设置水滴的节点和惯量。

②对7075铝合金进行网格划分，铝合金网格控制属性的单元形状以六面体为主，单元类型中单元库为Explicit，族为三维应力线性阶次，八节点线性六面体单元C3D8R，减缩积分，沙漏控制，部种为2。

③对水滴和靶材进行装配。

2.4 设置水滴和靶材之间的相互作用、边界条件和载荷

因为水滴和靶材的网格必须有一定的重叠，因此，水滴和铝合金要在相互作用中进行表面对表面接触（Explicit）设置，在这里采用罚接触方法，相互作用的属性选择力学-法向行为和切向行为，并根据需要设置表面粗糙度为3.2。

根据试验情况，靶材要固定在夹具上，且不可移动的，需对靶材的底面设置“对称—反对称—完全固定”的边界条件，即可限制靶材底面的自由度，以此来消除射流对靶体施加力的作用时导致模型分离。

2.5 研究的内容

高压纯水射流冲击靶体材料（7075铝合金）的表面形貌测试相关数据研究，塑性应变、残余应力、表面粗糙度的应力云图及xy曲线，相关试验参数如表3所示。

本文研究的纯水射流冲击强化涉及碰撞、接触等复杂的非线性问题，需要在显示分析步ABAQUS/Explicit中求解流体与目标靶材之间的过程。数值模拟研究了水射流的水压[P]、射流速度[v]和入射角[α]对残余应力场的影响。

3 模拟结果

纯水射流高速冲击使材料质点发生运动，引起材料变形，可由材料质点的能量体现。射流高速冲击做功传递给靶体材料的内能主要转化为应变能。模拟过程中，能生成各种变化曲线，从这些曲线中，可以很有效研究残余应力产生的规律。

3.1 在不同水压作用下的残余应力

图2为7075铝合金在水压80、120、160MPa和200MPa作用下，入射角[α]=90°的情况下，靶距为10mm，靶材的塑性应变随着水锤压力的不断增大，当水锤压力引起的靶材应力超过靶材自身屈服强度时，就会使靶材产生塑性应变，残余压应力也随之产生。此外，随着射流压力的增大，靶材塑性应变明显增大且深度加深，残余应力也在很短时间内逐渐加大。

图3是7075铝合金在水压80、120、160MPa和200MPa作用下靶材表面的应力变化。从图3可以看出，应力变化过程充分显示了水压对靶材的作用。综合靶材应力变化情况和靶材塑性应变可知，只有当水锤压力引起的材料应力大于靶材自身屈服强度时，塑性应变与残余压应力随即产生。所以，残余压应力的产生是水锤压力作用的结果。随着水锤压力升高，残余应力形成需要的时间越短。

3.2 不同入射角[α]对残余应力的影响

图4是保持射流水压200MPa不变，改变射流入射角度[α]，残余应力随时间发展的分布曲线。模拟结果表明，入射角较小时，随着喷射时间的延续，残余应力分布不均匀，时而大时而小，残余应力波峰波谷较明显，数值有正有负，既有残余拉应力，也残余压应力，仿真效果较差，不利于得出实验结果。随着喷射角度不断加大，残余应力线的波峰波谷逐渐变小，当喷射角度为直角时，残余应力线趋于一根平滑的曲线，分布也较为均匀，随着喷射时间的推移，残余应力越来越大，这样水射流强化效果是最好的。

3.3 表面形貌

表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形状误差及纹理等不规则的微观几何形状，是由加工过程中切削、磨削引起的塑性变形及加工设备的振动等原因造成的。

表面粗糙度分析。表面粗糙度是影响水射流冲击强化效果的重要因素之一，其大小取决于靶材原始表面粗糙度。当表面粗糙度偏高时，疲劳会产生于零件表面，并导致零件疲劳强度下降，所以，有效控制表面粗糙度，是保证强化效果的重要措施。在此，通过ABAQUS软件对7075铝合金在不同的水压、喷射角度下，对表面粗糙度进行模拟分析，更深入地了解水射流状态下表面粗糙度的变化。

从图5可以看出，在不同的射流水压冲蚀下，靶材表面形貌所表现出来的表面粗糙度形态也不同，如射流水压为80MPa时，靶材在受到冲蚀0.002 5s之后形成波峰和波谷，但波峰波谷相对来说成型不是很均匀，波峰波谷成型不是很明显，表面粗糙度也较小。而在射流水压为120MPa时，靶材在受到冲蚀0.002s后形成了波峰和波谷，并较之前形成的波峰和波谷大，表面粗糙度也相应增大。在射流水压达到200MPa时，波峰波谷的形成比较匀称，表面粗糙度的大小达到一个新的高度。当射流水压增大时，靶材的表面粗糙度也加大，对靶材的冲蚀较为严重，靶材的表面粗糙度增大，相应的残余应力也增大。

从图6可以看出，当喷射角度为30°到60°时，靶材的波峰波谷在前期表现得不是很明显，图像较分散，表面粗糙度相对较小;当喷射角度达到75°时，靶材的波峰波谷呈现出相对平衡的状态，图像相对比较紧凑。从图7可以看出，当喷射角度达到90°时，波峰波谷达到一个新的高度，图像曲线比较紧凑，表面粗糙度加强。

4 结论

本文描述了在ABAQUS软件仿真高压纯水射流冲击过程中，基于纯水射流理论基础，运用ABAQUS的SPH方法模拟铝合金7075作为靶材在不同的射流方式下所呈现的不同状态。在试验条件有限的情况下，通过计算机软件仿真，并通过绘制[xy]曲线的方法得出试验结果。通过本次模拟试验可得出以下结论。

①在水射流沖击过程中，残余应力产生的条件是当水锤压力引起的靶材应力超过靶材自身屈服强度时，就会使靶材产生塑性应变，残余压应力也随之产生。随着射流压力的增大，靶材塑性应变明显增大且深度加深，残余应力也在很短时间内逐渐加大。

②只有当水锤压力引起的材料应力大于靶材自身屈服强度时，塑性应变与残余压应力才随即产生。所以，残余压应力的产生是水锤压力作用的结果。随着水锤压力升高，残余应力形成需要的时间缩短。

③当射流的水压保持不变时，改变射流入射角度[α]，随着喷射角度不断加大，残余应力线渐渐趋于平滑且分布均匀，随着喷射时间的推移，残余应力增大，水射流强化效果较好。

④保持射流角度不变，在不同射流水压下，水压对表面形貌呈现出不同状态，当射流水压增大时，靶材的表面粗糙度也加大，对靶材的冲蚀较为严重，靶材的表面粗糙度增大，相应的残余应力也增大。

⑤保持水压不变，在不同水射流喷射角度下，其对靶材表面形貌影响，当喷射角度达到90°时，表面粗糙度呈现最大值。

参考文献：

[1]Zafred P R. High Pressure Water Short Peening：0218354B1 [P].1990-11-07.

[2]李户航，郑小伟，陈艳妮，等.7075-T651铝合金薄壁件加工仿真研究[J].现代制造工程，2018（2）：107-113.

[3]王培卓.6061铝合金纯水射流冲击强化数值模拟及试验研究[D].郑州：郑州大学，2017.