Numerical and Theoretical Study of Shot Peening and Stress Peen Forming Process

Le grenaillage de précontrainte est un procédé d'écrouissage largement utilisé dans les industries aérospatiale et automobile pour améliorer la résistance à la fatigue de composants métalliques et ainsi prolonger leur durée de vie utile. La performance et la répétabilité de cette amélioration dépendent largement des paramètres de grenaillage, tels que l'intensité Almen, le taux de recouvrement, la durée du traitement de grenaillage, etc. La méthode d'analyse par éléments finis a été adoptée pour simuler le procédé de grenaillage en raison du développement de plus en plus poussé des méthodes numériques et de l'augmentation des ressources et capacités informatiques disponibles. La plupart des modèles par éléments finis du procédé de grenaillage, tels que les modèles 2D ou les modèles à impact unique, ne peuvent représenter adéquatement ce procédé qui implique un grand nombre d'impacts de billes distribuées de façon aléatoire. Par conséquent, un des objectifs principaux de cette étude a été de développer un modèle 3D capable de simuler ce procédé aléatoire, et d'utiliser ce nouveau modèle afin d'étudier de façon quantitative les relations entre les paramètres de grenaillage et les résultats de ce traitement. La mise en forme par grenaillage avec application d'un pré-chargement externe est une utilisation particulière du grenaillage de précontrainte lors de la fabrication de composantes à paroi mince. Ce procédé est largement utilisé dans l'industrie aéronautique afin de produire des composantes minces avec des formes géométriques complexes, telles que des revêtements de voilure. La plupart des études publiées portant sur ce procédé consistent en des études expérimentales d'essais et erreurs. Par conséquent, un autre objectif de cette étude a été de développer un modèle numérique afin de simuler ce procédé, et d'investiguer quantitativement les relations entre les conditions de pré-chargement (moment de flexion ou force en tension appliquée) et la forme résultante (flèche maximale résultante ou rayon de courbure). Un nouveau modèle 3D par éléments finis capable de simuler les impacts de billes distribués de façon aléatoire a été développé afin de simuler de façon dynamique le grenaillage de précontrainte. En utilisant ce modèle aléatoire, des relations quantitatives ont été établies entre l'intensité du jet de billes, le taux de recouvrement, la rugosité induite et le nombre d'impacts, pour une composante en aluminium 2024. Les résultats de simulation montrent que ce nouveau modèle par éléments finis aide à bien comprendre le procédé et permet de mieux prédire les

Abstract

Shot peening is a cold working process widely used to improve the fatigue life of metallic components in the aerospace and automobile industries. The performance and repeatability of this improvement depend greatly on the shot peening parameters, such as Almen intensity, surface coverage, peening time, etc. Finite Element Analysis (FEA) has been adopted to simulate the shot peening process based on the development of computer resources and numerical methods. Most of the existing Finite Element (FE) models, however, such as 2D models and one shot impact models, cannot describe numerous randomly distributed shot flow. Therefore, one goal of this study was to establish a 3D shot peening model that can simulate a random shot peening process and to study the quantitative relationship between peening parameters and peening results. Stress peen forming is a special application of shot peening that deals with thin target components. Stress peen forming has been widely used in the aeronautics industry to produce thin components with complex shapes, such as wing skins. Most studies of the stress peen forming process have been based on trial and error experiments. Therefore, another objective of this study was to develop a numerical model in order to simulate this process, and to investigate the quantitative relationship between the prebending conditions (prebending moment or prestress) and the forming results (resulting arc height or radius of curvature). A novel 3D FE model that describes randomly distributed shots was developed in order to simulate the dynamic shot peening process. Using this 3D random FE model, a quantitative relationship was established between peening intensity, surface coverage and roughness, with respect to the number of shots, based on the same target component, aluminum 2024. The simulated results show that the novel FE model can help us to understand and predict shot peening results better than the existing conventional FE models. An experimental study of shot peening and stress peen forming was carried out in order to validate the novel FE model. In shot peening experiments, the quantitative relationships between saturation, surface coverage and roughness, with respect to peening time, were established for aluminum 2024 test strips. A pre-stressing device was designed to apply prebending moments on the strip in order to perform stress peen forming. The principal conclusion was that with increasing prebending moment, the deformed arc height following the prebending direction increases.