采用數(shù)值仿真的方法，研究了激光沖擊強(qiáng)化對175型柴油機(jī)曲軸疲勞壽命的影響，取得了數(shù)值仿真 條件下曲軸過渡圓角處殘余應(yīng)力場的數(shù)據(jù)，數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析表明:數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 較為接近，從而驗(yàn)證所采用的材料本構(gòu)模型、沖擊波峰值壓力和沖擊波作用時(shí)間是精確的。通過此類激光沖擊強(qiáng) 化仿真分析，可優(yōu)化激光沖擊的相關(guān)參數(shù)，使曲軸過渡圓角產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力場，從而為激光沖擊強(qiáng)化曲軸提供 優(yōu)化的工藝參數(shù)。

曲軸材質(zhì)要求具有較高的剛性和抗疲勞強(qiáng)度以 及良好的耐磨性能。球墨鑄鐵的鑄造工藝不斷發(fā) 展，性能不斷提高，已成為取代鍛鋼制造曲軸的首 選 材 料。 市 場 競 爭 迫 使 愈 來 愈 多 的 企 業(yè) 采 用 了擴(kuò)缸、增壓或增加沖程等技術(shù)措施，以提高發(fā)動(dòng)機(jī) 的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。但首先遇到的就是曲軸強(qiáng)度不 足的問題，如果在不改變曲軸原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸及材 料的前提下，采用表面強(qiáng)化技術(shù)，就能滿足曲軸的使 用要求，無疑是一個(gè)有效的方法。到目前為止，最有甚至脫落。本文采用數(shù)值仿真的方法，研究激光沖 擊 強(qiáng) 化 對 175犃 型 柴 油 機(jī) 曲 軸 疲 勞 壽 命 的 影 響 ，取 得數(shù)值仿真條件下曲軸過渡圓角處殘余應(yīng)力場的數(shù) 據(jù)，并將數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對比性分析。

1 數(shù)值仿真的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 材料本構(gòu)模型選擇 球墨鑄鐵材料的機(jī)械性能列于表1中，關(guān)于材料行為，在激光沖擊過程中材料被壓縮并產(chǎn)生動(dòng)態(tài) 變 形 ，應(yīng) 變 率 超 過1000000/S，在 這 種 情 況 下 靜 態(tài) 的 應(yīng) 力 應(yīng)變關(guān)系已不能反映材料的真實(shí)響應(yīng)，必須用動(dòng)態(tài)的彈性極限取代，JOhnson-cook,在1983年年綜合 硬化和應(yīng)變率對屈服強(qiáng)度的影響，提出了一個(gè)材料 模型用來描述材料的這種動(dòng)態(tài)行為。其本構(gòu)關(guān)系為：

1.2 沖擊波加載確定 

在整個(gè)光斑范圍內(nèi)激光場強(qiáng)呈近似均勻的分布，但沖擊波施加于靶的壓力卻隨時(shí)間而變化。確 定沖擊波峰值壓力的經(jīng)驗(yàn)公式為:

激光誘導(dǎo)沖擊波的作用時(shí)間大約為激光脈寬的2~3倍甚至更高。因此在進(jìn)行成形過程的有限元模擬時(shí)，對于激 光脈沖的作用時(shí)間可先按照激光脈寬的3倍來確 定，實(shí)驗(yàn)采用的激光脈寬τ=23ns，這樣每一次沖擊 加載的作用時(shí)間就為70ns左右，模擬時(shí)取為70ns。 在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已確定了沖擊波壓力隨時(shí) 間變化的圖形，圖1所示為沖擊波的壓力幅值變化曲線，犃犅犃犙犝犛的加載模塊將按這條曲線給曲軸加 載。

1.3 有限元仿真軟件選擇 

由于沖擊波壓力作用下板料的變形是一個(gè)高速動(dòng)態(tài)的過程，不僅產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變現(xiàn) 象，而且還有高應(yīng)變率現(xiàn)象。這既涉及到幾何非線 性問題也涉及到材料非線性問題，因此在數(shù)值計(jì)算 中應(yīng)盡可能計(jì)及這些因素，以提高計(jì)算精度。目前 可用于仿真分析高速?zèng)_擊下所涉及的幾何非線性和材料非線性的軟件有ANSYS 和ABAQUS 等。相對于ANSYS軟件ABAQUS的非線性力學(xué)(幾 何 、材 料 、接 觸 )分 析 功 能 具 有 世 界 領(lǐng) 先 水 平 ，所 以 選 擇ABAQUS 作為仿真軟件。

1.4 模型建立和網(wǎng)格化分

根 據(jù) 圖 2 所 示 的 175A 型 柴 油 機(jī) 曲 軸 簡 圖 ，在ABAQUS 的CAE 模 塊 里 建 立 如 圖 3 所 示 的 三 維 曲 軸模型，在曲軸的過渡圓角處施加如圖1所示的前 后光斑位置相切的沖擊加載，光斑直徑8mm。對 實(shí)際使用中斷裂的曲軸統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)嗔咽鹿?都發(fā)生在該處圓角。對曲軸的應(yīng)力分析應(yīng)主要關(guān)心該 處 的 應(yīng) 力 分 布 ，因 此 將 該 處 的 網(wǎng) 格 細(xì) 化 。 把 圓 角 部 分 手 工 劃 分 為 600 多 個(gè) 6 節(jié) 點(diǎn) 五 面 體 單 元 ，單 元 較 密 且 形 狀 較 好 ，最 小 單 元 為 0.2mm × 0.4 mm × 0.6mm。其余部分用有限元程序自動(dòng)生成為1000 多個(gè)四面體單元，然后再和手工劃分的部分組合到 一起，最后劃分的有限元分析網(wǎng)格如圖4所示。

1.5 邊 界 條 件 的 處 理
將 曲 軸 主 軸 頸 所 承 受 軸 承 的 彈 性 支 承 作 用 離 散為 作 用 在 支 承 面 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 上 的 彈 性 邊 界 元 ，通 過 彈 性邊界元使主軸頸在半徑方向的位移為零。考慮到 激光光斑與軸的幾何尺寸相比很小，曲軸的另一端 讓其處于懸空狀態(tài)，這不會(huì)對仿真結(jié)果有太大影響。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

圖5為沿著曲軸過渡圓角順次激光沖擊一圈后 的等效殘余應(yīng)力分量S11仿真結(jié)果圖，圖6為Mises等效殘余應(yīng)力分量S22仿真結(jié)果圖。在13平面內(nèi) 沿著過渡圓角，每隔1mm的弧長處取一個(gè)點(diǎn)，共選 擇11個(gè)點(diǎn)，如圖7所示。

由ABAQUS  的 后 處 理 輸 出 ，將 各 測 試 點(diǎn) 處 的Mises表面殘余應(yīng)力仿真結(jié)果列于表2中，由表2中的數(shù)據(jù)可看出曲軸曲柄與連桿軸頸之間的圓角橫截 面沖擊強(qiáng)化后殘余應(yīng)力分布比較規(guī)律，出現(xiàn)了2個(gè) 區(qū):壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)。在曲柄部分生成殘余拉 應(yīng)力，在連桿軸頸部分生成壓應(yīng)力。拉、壓應(yīng)力交界處過渡平穩(wěn)，應(yīng)力的數(shù)值比未沖擊的試樣高，說明激 光斜沖擊強(qiáng)化起到了強(qiáng)化和硬化作用。

將 表 2 中 的 仿 真 結(jié) 果 和 曲 軸 激 光 沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比性分析，可以發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)的 分布以及殘余應(yīng)力的大小 變化情況來看，排除由于 沖擊波的峰值壓力受實(shí)驗(yàn) 中黑漆涂層和流動(dòng)約束水 層厚度變化影響所引起的 沖擊波加載波動(dòng)，而造成 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果兩者之間 誤差的影響因素之外，仿 真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)比較吻合。

3 結(jié)論

 (1)鑒于仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)比較一致，因此數(shù)值仿真在預(yù)測激光沖擊曲軸過渡圓角處殘余應(yīng)力分布的技術(shù)對實(shí)驗(yàn)方案的安排和激光工藝 參數(shù)的選擇有一定的指導(dǎo)意義。

(2)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對于后續(xù)進(jìn)行的曲軸激光 沖擊強(qiáng)化多次 /搭接沖擊中工藝參數(shù)和沖擊路徑的 優(yōu)化研究具有一定的指導(dǎo)和參考作用。

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