Προσομοίωση μεθόδων σφαιροβολής και ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου αξιολόγησης της επίδρασής τους σε μηχανικά μέρη βαρέων οχημάτων, με μεταβαλλόμενες ιδιότητες

Abstract

In the present dissertation, a new Finite Element modeling approach is introduced for Stress Shot Peening, an enhanced version of Shot Peening widely used for fatigue life enhancement in leaf springs and many other engineering components. The approach consists of two separate Finite Element models, a 2-Dimensional and a 3-Dimensional, each one capable of providing valuable information on the surface state after the process, regarding residual stresses and surface roughness. The models incorporate the elastoplastic mechanical properties of both the shots and the part, the stochastic size nature of peening particles and degraded surface properties. These surface properties were determined using a series of nanoindentation and micro-hardness measurements. The approach is experimentally validated for both Shot and Stress Shot peening cases, providing a comprehensive overview of the process, including parametrical studies on the influence of shot size, peening velocity, applied prestress levels, peening angle, and other crucial parameters on the process.

Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται μια νέα προσέγγιση, βασισμένη στα Πεπερασμένα Στοιχεία, προσομοίωσης κατεργασίας της σφαιροβολής επιφανειών υπό προένταση. Πρόκειται για μια βελτιωμένη εκδοχή της συμβατικής σφαιροβολής , η οποία χρησιμοποιείται στα πλαίσια της βελτίωσης της διάρκειας ζωής φυλλοειδών (καμπτικών) ελατηρίων. Η συγκεκριμένη υπολογιστική προσέγγιση αποτελείται από δύο χωριστά μοντέλα Πεπερασμένων Στοιχείων, ένα σε δύο (2) διαστάσεις και ένα σε τρείς (3), κάθε ένα ικανό να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για την κατάσταση της επιφάνειας μετά τη κατεργασία, όσον αφορά τις εναπομένουσες τάσεις και την τραχύτητα επιφάνειας. Τα εν λόγω μοντέλα ενσωματώνουν τις ελαστοπλαστικές ιδιότητες των σφαιριδίων και του υπό κατεργασία κατασκευαστικού στοιχείου, τη στοχαστική φύση των σφαιριδίων που χρησιμοποιούνται σε πραγματικές βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλου μεγέθους καθώς και τις διαβαθμισμένες μηχανικές ιδιότητες επιφάνειας, Οι εν λόγω μηχανικές ιδιότητες επιφανείας προσδιορίστηκαν μέσω νανοδιεισδύσεων και μικροσκληρομετρήσεων. Η προσέγγιση επαληθεύτηκε πειραματικά σε σενάρια συμβατικής σφαιροβολής και σφαιροβολής υπό προένταση, παρέχοντας μια συνολική εικόνα για τη κατεργασία, συμπεριλαμβάνοντας και διάφορες παραμετρικές μελέτες, όπως η επίδραση του μεγέθους των σφαιριδίων, της ταχύτητας, της εφαρμοζόμενη προέντασης, της γωνίας κρούσης και άλλες κρίσιμες παραμέτρους της διεργασίας.