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第 3 卷
2015 年
6 月刊
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培训专栏


第 3 卷- 2015 年 6 月刊
表面强化工艺中建模和模拟的价值



Stan Bovid

  建模和模拟工具是很多不同领域工程师们的宝贵资源。通常,工程模型的大致目标是相同的:为将会发生的实际应用情况提供现实预测。长期以来,在表面强化领域我们已使用多种不同模型,抛喷丸强化供应商已开始对材料中的的残余应力及阿尔门强度进行估算,实际上,其是一种模型。过去的15年里,模型的复杂性大幅增加,并且现在有很多不同的选项可供该工艺的拥有者和对其组件应用该工艺感兴趣的外部工程师们选择。

  很多工程工艺建模的近期进展都来自利用有限元法模拟对组件进行表面强化处理的应用。有限元法可以快速、有效地局部评估表面强化工艺效果,其另一优势是通常可以提供易于理解的图形图表描绘建模工作的结果。表面强化工艺的有限元模型有很多选项和组合可用。通常,不同的选项使用不同的假设、条件和输入要求,并需要复杂度和其他资源要求达到特定水平。多数相关的表面强化工艺模型将强度和覆盖率与残余应力深度和大小的预测相结合。模型可以基于动态事件,例如,抛喷丸介质对表面的物理冲击或激光喷丸致使的压力上升,或基于静态分析,例如,已知工艺对已知材料产生的残余应力。

  根据我的经验,静态分析中有限元建模的特征应变法为工程师和客户提供了最大和最有效的优势。特征应变建模可以评估复杂几何形状的残余应力场、定位峰值补偿应力、预测将发生的变形量,并允许多重负载模拟以评估加工时预期的工作改进。

  特征应变指材料的内部永久应变,在我们的案例中,是激光喷丸产生的应变。但是,该术语和建模也适用于其他工艺。在处理的材料中产生的残余应力由激光喷丸工艺的塑性应变(特征应变)和相应激光喷丸区域的材料的弹性应变产生。通常,模型校准基于测量的残余应力数据,但也可以通过动态有限元建模开发。开发这些喷丸强化材料模型后,它们便成为独立的特定组件几何形状,且多数为厚度。然后,将这些校准的模型载入库中,并用于特殊应用开发。当插入相关几何形状的零件的加工区域时,残余应力场与零件几何形状平衡。此方法通过减少该工艺与迭代测试和演示相关的时间与成本,缩短了客户的开发周期。

  虽然表面强化工艺的建模有很多优势,但要得以实现也存在着一些挑战。通常,组织获得建模能力或获得商用有限元建模软件所需的前期工作都需要大量的成本,还有其他资源问题,包括谁将使用该软件,以及与技术需求相关的培训成本是什么。一旦具有有限元分析(FEA)能力后,便可开始开发模型(如特征应变库),但经常需要经实验验证过的或从技术库或其他资源收集的额外数据。如果无法克服这些挑战,这将会严重阻碍表面强化工艺建模的广泛使用。
 
  只有在客户为降低其零件寿命周期成本寻求新的和改进的方法时,建模在表面强化领域的重要性才会有所增加。此发展的主要方面不仅是表面强化供应商开发了建模能力,同时该能力也扩展到工程师设计组件。迄今为止,技术流程已在很大程度上由学术级别转到工艺供应商和技术公司。总而言之,设计工程师需要建模能力,从而使表面强化技术的严谨、预先应用可以改进零件设计。

如有疑问,请联系stan@mfn.li



培训专栏
作者:Stan Bovid,MFN官方培训师
更多信息,请参见 www.mfn.li/cn/trainers
 
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