气体喷涂和喷丸强化：模拟高速冲击的实用指南
Abaqus、ANSYS、冷喷涂、喷丸
冷气喷涂和喷丸处理乍一看可能有所不同——一个是沉积材料，另一个是改变表面——但两者的物理原理相同：高速冲击会产生强烈、高度局部的塑性变形。非常适合使用 Abaqus、Ansys、COMSOL 或其他有限元求解器等工具进行有限元模拟。
这篇文章讲解了重要的物理原理，提供了实用且与工具无关的仿真建议，展示了需要验证的内容，并以真实的工业案例作为结尾。
您将在这里学到什么
冷气喷涂和喷丸强化背后的核心物理原理
哪些材料模型和数值设置最重要
适用于任何 FEM 软件的模拟清单
如何验证结果以及在实验或文献中寻找什么
行业应用及实例
快速概览：这些过程是什么？
冷气喷涂（CGS）
粒子在高速气流中加速（通常速度为几百到约 1200 米/秒），并在仍为固态时撞击基材。键合是由于极端的局部变形和一种称为绝热剪切的局部现象而发生的，而非粒子熔化。存在一个临界粒子速度，高于该速度时键合才能可靠地进行。
喷丸
小型球形弹丸反复冲击零件表面，产生残余压缩应力。这些压缩应力可防止裂纹萌生，从而延长疲劳寿命。喷丸强化并非旨在粘合材料，但其冲击物理特性（高应变率、局部加热）与 CGS（碳-硫-硫）类似。
模拟中要捕捉的关键物理
高应变率塑性。冲击会产生非常高的应变率；材料模型必须具有应变率敏感性。
热软化/绝热加热。大多数塑料制品在局部转化为热量；温度升高会使材料软化并改变其性能。
接触与摩擦。局部摩擦会影响剪切、加热和射流的形成——请谨慎选择接触模型。
大变形。接触区附近预计会发生极端的几何变化。网格和单元的选择必须能够应对这种情况。
材料失效或粘性流动。在某些情况下，材料会局部丧失剪切强度（剪切带或粘性行为）。
推荐的本构模型
针对这些问题，一个标准的、广泛使用的模型是Johson-cook本构定律，因为它捕捉到了：
应变硬化，
应变率敏感性，
热软化。
简洁地写：
使用文献值或通过实验校准您的材料。如果您的材料出现相变，请考虑更高级的模型。
与工具无关的模拟清单
选择求解器类型
显式动力学（瞬态）通常适用于单次撞击、高速事件，因为它可以稳健地处理大应变和接触。
隐式求解器可用于准静态或较慢的冲击，但可能会遇到严重的非线性问题。
几何与对称
对于单次法向冲击，使用轴对称模型（节省 CPU）。
当撞击是倾斜的、多个粒子相互作用或表面粗糙度很重要时，使用 3D 模型。
网
在接触界面处进行大量细化。对于几微米到几十微米的颗粒，可能需要在接触点附近使用亚微米级元件。
粗化接触以节省计算量。
使用抵抗沙漏现象的元素；如果使用减少积分，则考虑稳定或沙漏控制。
时间步长和质量缩放
显式积分器需要由元素大小和波速设置的小时间步长。
避免过度的质量缩放——虽然可以加快运行速度，但可能会扭曲动力学。如果使用质量缩放，请记录其幅度和测试灵敏度。
接触与摩擦
使用稳健的接触算法（惩罚、增广拉格朗日等，取决于您的求解器）。
根据实验或文献和测试灵敏度选择摩擦系数——摩擦会影响局部加热和喷射。
热耦合
考虑塑性功转化为热能（典型值约 90%），如果需要温度变化，则进行热机耦合计算。在许多撞击中，绝热假设在短时间尺度下是合理的。
边界/支撑条件
真实地模拟基底边界条件（例如，固定在基底、横向自由或约束，如实验中）——基底刚度会影响变形。
后期处理
提取接触附近关键节点的时间历史（应变、温度、冯-米塞斯应力）。
绘制扁平率/扁平直径（对于 CGS）和残余应力分布（对于喷丸）。
验证：比较什么以及如何比较
节点历史：应变、温度和应力随时间的变化（与实验或文献数据进行比较）。寻找指示剪切不稳定性的特征性局部化和应力下降模式。
扁平几何/扁平率：通过 SEM 测量的顶视图或横截面直径与您的预测值。
喷射形成：目视检查界面处的喷射型流出（CGS 中的粘合标记）。
残余应力（喷丸）：比较全厚度残余应力分布和喷丸强度指标（阿尔门试片当量）。
实用技巧和警告
始终运行敏感性研究：网格尺寸、摩擦、材料参数、接触算法。
保持能量平衡检查（动能/内部能/人工能）以确保数值稳定性。
记录任何数值技巧（质量缩放、稳定性），以使结果保持可重复。
对于极端应变率，已发布的块体材料数据可能不够——校准测试很有价值。
工业应用及具体实例
冷气喷涂
修复和组装涡轮叶片和其他航空航天部件，不会造成热损坏。
管道、热交换器和工业阀门的腐蚀和磨损保护。
生物医学植入物：冷喷涂可以改变表面粗糙度或在钛植入物上沉积生物活性层，以改善细胞附着和骨整合（适用于牙科和骨科植入物）。
电子/热管理：导电路径和散热器的铜沉积，无氧化。
喷丸强化
汽车：对悬架弹簧、齿轮和曲轴进行喷丸处理，以大大提高疲劳寿命。
航空航天：对起落架部件、紧固件和结构部件进行喷丸处理，以防止裂纹的产生。
能源和重工业：承受循环载荷的轴、联轴器和焊接接头的喷丸强化。
现实世界：飞机起落架、发电厂涡轮机维修和骨科植入物表面都是每天使用这些方法的地方。
最后的想法
模拟冷气喷涂和喷丸强化工艺是了解控制涂层质量和表面性能的物理机制的有效方法。通过正确的材料模型、合理的网格策略、谨慎的接触设置以及严格的验证，您可以获得深入的洞察，从而节省昂贵的实验成本并优化工业流程。
