機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響

1、<p><b>　　安徽工業(yè)大學(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容:</p><p>　　1、根據(jù)課題進(jìn)行調(diào)研、收集國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，其中外文資料至少3篇以上，書寫開題報(bào)告；2、通過實(shí)驗(yàn)研究激光沖擊后對小孔殘余應(yīng)力分布以及小孔疲勞壽命的影響，并對疲勞斷口進(jìn)行分析；<

2、;/p><p>　　3、利用ABAQUS軟件對激光沖擊小孔進(jìn)行模擬分析，包括動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析。4、課題折合0號圖3張圖紙；除至少有1張手工繪圖外，其余圖紙皆為CAD繪圖；</p><p>　　5、設(shè)計(jì)說明書需打印輸出，并遵守相應(yīng)規(guī)范，參考文獻(xiàn)中除設(shè)計(jì)手冊和工具書外， 至少含有5篇以上中文論文文獻(xiàn)和3篇以上外文文獻(xiàn)。6、英文翻譯5000單詞以上論文一篇，300字中英文摘要。</p&

3、gt;<p>　　指導(dǎo)教師簽字： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　激光沖擊改性與延壽技術(shù)是利用方向.能量高度集中的激光束作為工具，對材料進(jìn)行表面改性或延壽。該技術(shù)將現(xiàn)代物理學(xué).化學(xué).計(jì)算機(jī).材料科學(xué).先進(jìn)制造技術(shù)等多方面的成果和知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，對構(gòu)件的選擇.設(shè)計(jì).制造有重大影響。<

4、/p><p>　　鋁合金小孔是構(gòu)件上典型的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在交變載荷作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。故本文采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，通過對比分析，采用強(qiáng)化效果更好的先激光沖擊后開孔的工藝方法。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究了不同激光沖擊下小孔區(qū)域的殘余應(yīng)力場及其疲勞性能，并對疲勞斷口進(jìn)行了相應(yīng)</p><p><b>　　分析。</b></p><p&

5、gt;　　研究過程為：首先以ABAQUS軟件為平臺，制定了小孔強(qiáng)化數(shù)值模擬總體思路，通過對激光沖擊工藝參數(shù)進(jìn)行理論分析，提出激光沖擊參數(shù)的優(yōu)化區(qū)域，以功率密度，脈沖寬度，光斑直徑，沖擊次數(shù)為研究對象，系統(tǒng)分析在其單獨(dú)改變時(shí)對殘余應(yīng)力場的影響。</p><p>　　然后通過對疲勞斷口的觀察，來分析材料抗疲勞性能的強(qiáng)弱。最后通過仿真分析式樣開孔前后殘余應(yīng)力場和沖擊前后的疲勞性能得出光斑搭接處理對疲勞</p>

6、;<p><b>　　壽命的影響。</b></p><p>　　關(guān)鍵詞：激光沖擊處理，疲勞壽命，數(shù)值模擬，殘余應(yīng)力場，疲勞斷口，鋁</p><p><b>　　合金小孔</b></p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Laser

7、shock modification and life-extending technology is the use of the laser beam highly concentrated in the direction and energy as a tool for surface modification or extension of the material. The technology makes the comp

8、rehensive use of modern physics .chemistry .computer. Materials science .advanced manufacturing technology and other aspects of Results or knowledge .and it has a significant impact on component selection .design manufac

9、turing.</p><p>　　Aluminum alloy holes are the typical locations of stress concentration which easily generate fatigue cracks under cyclic loading and yield fatigue rupture .so this text use the laser shock t

10、echnology .through the comparative analysis .the better process of LSP before hole-drilling was adopted to study the residual stress field of fastener holes at different parameters and its fatigue property by the methods

11、 of experiments and simulations, and fatigue fracture were analyzed.</p><p>　　The research process is as following :based on the FEM code ABAQUS ,the general idea of Numerical simulation to strengthen holes

12、was set .by the LSP parameters was analyzed ,and then presented the optimizing region of LSP parameters .Then ,selected the power density ,pulse width ,spot diameter and shot numbers as the research object ,without consi

13、dering the interaction between the shock parameters ,the effect of laser shock parameters on the residual stress field were studied.</p><p>　　Then observation the fatigue fracture indicated the strength of a

14、nti-fatigue properties .Finally ,through the simulation we can study the residual stress field of specimens before and after hole-drilling and the fatigue properties of specimens before and after LSP .Then we can get the

15、 point of the effect of treatment on the fatigue life of spot overlapping</p><p>　　KEY WORDS :Laser shock processing; Fatigue life；Numerical simulation; Residual stress field; Fatigue fracture; Aluminum allo

16、y</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 前言1</b></p><p>　　1.2 小孔技術(shù)強(qiáng)化的傳統(tǒng)工藝2</p><p>　　1.2.1 冷擠壓技術(shù)

17、2</p><p>　　1.2.2 機(jī)械噴丸技術(shù)3</p><p>　　1.3 激光沖擊技術(shù)4</p><p>　　1.3.1 激光沖擊強(qiáng)化的原理4</p><p>　　1.3.2 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)5</p><p>　　1.3.3 激光沖擊強(qiáng)化的效應(yīng)5</p><p>　　1.4

18、激光沖擊強(qiáng)化的影響因素8</p><p>　　1.4.1 激光參數(shù)8</p><p>　　1.4.2 能量吸收層和約束層8</p><p>　　1.4.3 材料9</p><p>　　1.5 常見激光沖擊工藝9</p><p>　　1.6 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用15</p><p&

19、gt;　　第二章 激光沖擊小孔的數(shù)值建模18</p><p>　　2.1 數(shù)值模擬的總體思路18</p><p>　　2.2 ABAQUS建模過程18</p><p>　　2.2.1 幾何模型的建立19</p><p>　　2.2.2 材料的本構(gòu)模型19</p><p>　　2.2.3 網(wǎng)格劃分20<

20、;/p><p>　　2.2.4 載荷模塊20</p><p>　　2.2.5邊界條件的設(shè)置18</p><p>　　2.2.6 ABAQUS中分析步模塊19</p><p>　　2.3 本章小結(jié)25</p><p>　　第三章 激光沖擊過程中應(yīng)力場的數(shù)值模擬26</p><p>　　3.1

21、 激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇26</p><p>　　3.1.1 激光脈沖功率密度的選擇26</p><p>　　3.1.2 光斑直徑的選擇27</p><p>　　3.1.3 激光脈沖寬度的選擇28</p><p>　　3.2激光沖擊過程中的動(dòng)態(tài)分析28</p><p>　　3.3 動(dòng)態(tài)導(dǎo)入靜態(tài)30<

22、;/p><p>　　3.4 本章小結(jié)26</p><p>　　第四章 激光沖擊小孔的實(shí)驗(yàn)研究27</p><p>　　4.1 激光沖擊裝置及材料參數(shù)27</p><p>　　4.2 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖及試件模型28</p><p>　　4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析29</p><p>　　4.3.1 殘

23、余應(yīng)力的測量分析29</p><p>　　4.3.2 殘余應(yīng)力的測試結(jié)果分析31</p><p>　　4.3.3 激光沖擊處理后試件硬度分析31</p><p>　　4.4 疲勞壽命的測試及分析37</p><p>　　4.4.1 疲勞分析實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)置37</p><p>　　4.4.2 疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)

24、據(jù)分析38</p><p>　　4.5 疲勞斷口分析40</p><p>　　4.5.1 斷口分析40</p><p>　　4.5.2 斷口表面粗糙度分析39</p><p>　　4.6 本章總結(jié)48</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望49</p><p><b>　　

25、5.1 總結(jié)49</b></p><p><b>　　5.2 展望49</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></

26、p><p>　　20世紀(jì)80年代英格蘭伯明翰大學(xué)教授湯姆·貝爾提出表面工程的概念。他認(rèn)為，表面工程是“將材料表面與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性。以期獲得表面與基體本身都不可能有的優(yōu)異性能，其成本效益比是很高的?！边@一論述十分精辟，它充分說明了表面.材料與性能之間的正確關(guān)系，表面技術(shù)和效益之間的關(guān)系，以及表面工程的科學(xué)意義。</p><p>　　隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，延

27、長各種類型產(chǎn)品的服務(wù)壽命，提高零部件工作的安全性.可靠性，能夠主動(dòng)地.有效地控制破壞問題，以避免突然被破壞所帶來災(zāi)難的需要越來與迫切。裂紋的疲勞破壞是造成結(jié)構(gòu)破壞的一項(xiàng)重要因素。在各類結(jié)構(gòu)件中，往往由于裂紋的存在而使結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)就發(fā)生破壞。國內(nèi)外使用合金材料的壓力容器.鉆井平臺.石油管道.原子能反應(yīng)堆.發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和飛機(jī)起落架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件均發(fā)生過斷裂事故，這些災(zāi)難性事件大多是由表面裂紋或穿透裂紋擴(kuò)展引起的。保障關(guān)鍵零部

28、件的壽命與可靠性，避免疲勞裂紋引發(fā)的失效發(fā)生，已成為關(guān)鍵零部件修復(fù)和延壽工程中的核心科學(xué)問題之。</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種利用高功率短脈沖激光與材料相互作用過程產(chǎn)生高壓沖擊應(yīng)力波的力效應(yīng)來改善金屬綜合機(jī)械性能的一種表面改性技。</p><p>　　鋁合金比重小, 但卻有著接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼的強(qiáng)度, 具有熱脹系數(shù)低、易于成形、熱導(dǎo)率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于航空、航天、

29、汽車、包裝、建筑、電子等各個(gè)領(lǐng)域。但是, 鋁合金也存在諸多問題, 如在氯離子及堿性介質(zhì)存在的情況下,極易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等多種形式的破壞, 硬度較低、摩擦系數(shù)高、磨損大, 容易拉傷且難以潤滑導(dǎo)致鋁合金耐磨性差。這些在很大程度上都限制了鋁合金的使用范圍。</p><p>　　近年來，隨著高能粒子束的發(fā)展，出現(xiàn)了激光沖擊強(qiáng)化和離子注入表面處理等技術(shù)，并且已經(jīng)發(fā)展成為抗疲勞斷裂制造技術(shù)的一個(gè)重要

30、組成部分。激光沖擊波技術(shù)利用其極高的沖擊壓力,對材料作沖擊改性處理, 在金屬的沖擊強(qiáng)化處理和材料的沖擊精密成型等領(lǐng)域已獲得廣泛的應(yīng)用。被現(xiàn)代工業(yè)譽(yù)為萬能加工工具, 未來制造系統(tǒng)共同的加工手段的激光技術(shù)亦被用來改善金屬表面性能，這項(xiàng)利用</p><p>　　強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波來強(qiáng)化金屬表面的新技術(shù)稱為LSP技。</p><p>　　1.2 小孔技術(shù)強(qiáng)化的傳統(tǒng)工藝</p><

31、;p>　　介紹下傳統(tǒng)孔強(qiáng)化的技術(shù)：冷擠壓技術(shù)和機(jī)械噴丸技。</p><p>　　1.2.1 冷擠壓技術(shù)</p><p>　　冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)是七十年代初由波音公司研制開發(fā)的，已在多種機(jī)型上得到成功應(yīng)用，是目前國際飛行器制造業(yè)中最先進(jìn)的擠壓強(qiáng)化工藝之一，對于結(jié)構(gòu)件疲勞關(guān)鍵部位的孔的壽命提高具有顯著效。飛機(jī)絕大多數(shù)構(gòu)件是通過在孔中安裝緊固件而裝配在一起的?？椎闹車鸀楦邞?yīng)力集中區(qū), 是飛機(jī)結(jié)

32、構(gòu)的疲勞斷裂源。要延長結(jié)構(gòu)壽命, 必須對孔進(jìn)行強(qiáng)化。冷擠壓能在孔周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化層,是最有效、簡便、實(shí)用的工程強(qiáng)化方法。</p><p>　　冷擠壓強(qiáng)化有直接芯棒擠壓和加套擠壓兩種方法。直接芯棒擠壓(圖a),可以是拉擠，也可是壓擠，二者作用相同，只是加力方式不同。加套擠壓(圖b)所用芯棒的最大直徑略小于孔徑，開縫襯套(內(nèi)壁帶干態(tài)潤滑膜)在擠壓前預(yù)先套在芯棒小徑部位。擠壓孔時(shí)，先將芯棒和襯套一起插入孔中并使

33、槍頭牢固對準(zhǔn)工件；啟動(dòng)拉槍后，活塞回收，芯棒穿過襯套，通過襯套間接擠壓孔壁。</p><p><b>　　圖1.1 冷擠壓工</b></p><p>　　由下表可見,加套擠壓孔的疲勞壽命比直接芯棒擠壓約高20% ,而出口端的孔邊凸臺高度僅為直接擠壓的37% ,加套擠壓效果明顯優(yōu)于直接芯棒擠壓。文中加套擠壓試驗(yàn)是在從美國疲勞公司引進(jìn)的開縫襯套擠壓孔設(shè)備上進(jìn)行的。<

34、/p><p>　　表1-1 直接芯棒擠壓與加套擠壓試驗(yàn)結(jié)果比較</p><p>　　表中h入和h出是冷擠壓后在孔的入口和出口引起的孔邊凸臺高度，它對裝配質(zhì)量有顯著影響。</p><p>　　圖1.2 冷擠壓產(chǎn)生的孔邊凸臺</p><p>　　1.2.2 機(jī)械噴丸技術(shù)</p><p>　　機(jī)械噴丸成形是20世紀(jì)50年代隨著飛

35、機(jī)整體壁板的應(yīng)用，在噴丸強(qiáng)化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝方法。它用以成形外形變化平緩的蒙皮類鈑金件，這些零件可以是等厚板、變厚度板和帶筋整體壁板，是飛機(jī)工業(yè)成形整體壁板和整體厚蒙皮零件的主要方法之一。</p><p>　　隨著對激光器功率、脈寬、沖擊波引起的應(yīng)力波的波陣面形狀等問題研究的深人和解決, 尤其是較高激光脈沖重復(fù)率問題的解決, 激光沖擊噴丸強(qiáng)化已進(jìn)入實(shí)用階段并在航空、汽車、船舶和軍工等領(lǐng)域獲得了極大關(guān)

36、。</p><p>　　機(jī)械噴丸成形的基本原是利用高速彈流撞擊金屬板件表面，使受噴表面的表層材料產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致殘余應(yīng)力，逐步使整體達(dá)到外形曲率要求的一種成形方法。機(jī)械噴丸成形時(shí), 每個(gè)金屬彈丸都以高速撞擊金屬板件的表面， 使受噴表面的金屬圍繞每個(gè)彈丸向四周延伸，金屬的延伸超過材料的屈服極限， 產(chǎn)生塑性變形，形成壓抗，從而引起受噴表層的面積加大，但表層材料的延伸又為內(nèi)層金屬所牽制，因而在板件內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)

37、應(yīng)力平衡的結(jié)果使板件發(fā)生雙向彎曲變形，從而使板料成形。上下表層為殘余壓應(yīng)力。</p><p>　　機(jī)械噴丸成型后板料的特點(diǎn)：A，上下表層為殘余壓應(yīng)力B，受噴表層的材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化C，受噴表面變得粗糙</p><p>　　圖1.3 噴丸后零件的應(yīng)力分</p><p>　　圖1.4 噴丸后零件的位錯(cuò)和晶粒分</p><p>　　1.3 激光沖

38、擊技術(shù)</p><p>　　1.3.1 激光沖擊強(qiáng)化的原理</p><p>　　當(dāng)高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(10-30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量稠密的高溫(＞104K)，高壓(＞1GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓

39、力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力[3]。激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)。</p><p>　　沖擊原理簡化流程：高功率激光→待處理表面→透明約束層→（汽化.膨脹）→沖擊波→殘余應(yīng)力場.晶體缺陷的形成。</p><p>　　圖1.5 激光沖擊強(qiáng)化原理圖</p><p&g

40、t;　　1.3.2 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)</p><p>　　1) LSP能形成深度更加深且數(shù)值更大的殘余壓應(yīng)力影響層，通過LSP獲得的殘余壓應(yīng)力影響層可達(dá)1～2mm，是噴丸的5～10倍；</p><p>　　2) LSP所用的激光參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)也具有可重復(fù)性，可以在同一地方通過累積的形式多次強(qiáng)化，因而殘余壓應(yīng)力的大小和強(qiáng)化層的深度精確可控；</p><

41、p>　　3) 由于激光的可達(dá)性好，光斑大小可調(diào)，且能精確控制和定位，LSP技術(shù)能夠處理一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位。特別適合對小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進(jìn)行強(qiáng)化，甚至能對一些微米級金屬零件進(jìn)行強(qiáng)；</p><p>　　4) LSP后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)微米，基本不改變被處理零部件的粗糙。對于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等對表面形變特別敏感的零部件，沖擊強(qiáng)化后效果明顯。</p><p>　　

42、1.3.3 激光沖擊強(qiáng)化的效應(yīng)</p><p>　　從材料損傷的角度來看,不論是疲勞還是動(dòng)態(tài)破壞,都是一個(gè)微裂紋(或空洞)成核、演化和失效破壞的連續(xù)過程, 材料損傷演化過程是全體裂紋共同作用的結(jié)果,因此研究裂紋萌生.擴(kuò)展問題具有重要意義。疲勞壽命包括裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分, 這兩部分壽命在總壽命中不僅與材料成分、組織、性能有關(guān), 而且與沖擊參數(shù)有關(guān)。</p><p>　　由于沖擊

43、波與材料相互作用，微觀上改變了材料內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的分布；宏觀上表現(xiàn)為材料力學(xué)性能的改變。如生成的大量位錯(cuò)可以提高材料表面的硬度和強(qiáng)度；細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還能提高材料表面的塑形和韌性；塑形變形可以在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，由于殘余壓應(yīng)力的存在可以有效抑制材料疲勞裂紋的萌生以及減緩裂紋擴(kuò)展速率, 使材料的疲勞壽命明顯提。</p><p>　?。?）激光沖擊對裂紋萌生的影響</p><p&

44、gt;　　疲勞極限微細(xì)觀過程理認(rèn)為，疲勞源裂紋的行成應(yīng)包括以下六個(gè)微細(xì)觀過程： </p><p>　　(a)加載時(shí)，個(gè)別晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)，產(chǎn)生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一些薄弱晶粒內(nèi)部或微觀應(yīng)力集中點(diǎn)附近出現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并受阻于晶界；</p><p>　　(b)為了使“微觀屈服”能進(jìn)一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯(cuò)源及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當(dāng)多晶粒參與

45、的“ 細(xì)觀屈服”小區(qū)；</p><p>　　(c)在“細(xì)觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應(yīng)變集中滑移帶；</p><p>　　(d)在卸載或反向加載到最小應(yīng)力時(shí)，一些應(yīng)變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“ 脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；</p><p>　　(e)少數(shù)應(yīng)變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；</p><p>　　(f)個(gè)別條件合適的疲勞初

46、裂縫，擴(kuò)展進(jìn)入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。</p><p>　　當(dāng)試件表層存在殘余壓力時(shí)，可以從兩方面來考慮殘余應(yīng)力的作用：一方面，在材料表面，殘余壓應(yīng)力的存在起到了降低平均應(yīng)力的作用，抵消了部分載荷應(yīng)力，起到直接的強(qiáng)化的作用；另一方面，較高的殘余壓應(yīng)力阻止了裂紋在表面萌生，使裂紋萌生由表面推移至次表面薄弱區(qū)，該區(qū)域往往是殘余拉應(yīng)力最大區(qū)，此處沒有表面損傷和介質(zhì)的影響，同時(shí)位錯(cuò)滑移受到較大約束，裂

47、紋萌生困難，表現(xiàn)為疲勞壽命提高，此時(shí)殘余壓應(yīng)力起到間接強(qiáng)化的作用。</p><p>　　圖1.6 2024T62 激光沖擊前后金相圖片</p><p>　　表面和內(nèi)部行成“細(xì)觀屈服區(qū)”的極限應(yīng)力是不同的。表面層中的晶粒，其自由表面一側(cè)沒有約束或約束較小，位錯(cuò)容易滑動(dòng)，在其附近形成“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力較低；而在離表面較遠(yuǎn)的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力就較高。&l

48、t;/p><p>　?。?）激光沖擊對裂紋擴(kuò)展的影響</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化對裂紋擴(kuò)展的抑制作用十分明顯，其機(jī)理可以從如下方面闡述：殘余壓應(yīng)力場阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，對短裂紋不僅可以使其擴(kuò)展速率大幅度下降，進(jìn)而形成非擴(kuò)展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強(qiáng)化件的疲勞強(qiáng)度得到提高。當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，隨著表面殘余壓應(yīng)力的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子k減小，裂紋擴(kuò)展速率降低；當(dāng)k低于裂紋擴(kuò)展

49、門檻值時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。在循環(huán)過程中，發(fā)生了殘余壓應(yīng)力松弛，使k重新增大，裂紋擴(kuò)展速率加大，最終導(dǎo)致斷裂。</p><p>　　鄒世坤等研究了激光沖擊處理金屬板材后的裂紋擴(kuò)展速率，激光沖擊處理使厚度為1.64mm的GH30整個(gè)沖擊強(qiáng)化區(qū)裂紋擴(kuò)展速率將為原來的1/30.在部分強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)，激光沖擊處理能明顯降低1.52mm厚的30CrMnSiA裂紋擴(kuò)展速率，最大幅度可降到原來的1/40.對激光沖擊處理的材料疲勞裂紋擴(kuò)

50、展的研究表明，激光沖擊處理可顯著降低鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯(cuò)密度和形成表面殘余壓應(yīng)。對激光處理過的材料的疲勞斷口分析可知，激光沖擊部位表層殘余壓應(yīng)力在一定程度上抑制了裂紋源的形成，并可延長裂紋擴(kuò)展的時(shí)。</p><p>　?。?）激光沖擊處理對材料表面硬度的影響</p><p>　　激光沖擊處理提高金屬表面的硬度是其強(qiáng)化作用的令一個(gè)重要方面。激光沖擊

51、加工在整個(gè)激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。</p><p>　　此外，激光沖擊強(qiáng)化還可以有效地強(qiáng)化某些金屬的焊縫區(qū)。如高溫合金GH30氬弧焊焊縫經(jīng)激光沖擊處理后，焊縫表面顯微硬度提高40%，抗拉強(qiáng)度提高了12%以；激光沖擊強(qiáng)化使焊態(tài)5086H32鋁合金的屈服強(qiáng)度回復(fù)到母材的水平使6061T6鋁合金焊縫的抗拉強(qiáng)度提高。這些焊接接頭的強(qiáng)化是因?yàn)榧す鉀_擊使材料內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)。</p><p&

52、gt;　?。?）激光沖擊處理對耐磨性能及腐蝕性能的影響</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化也可以改善耐磨性能和腐蝕性能。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學(xué)效應(yīng)可改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下。對儲能罐.核廢料罐焊縫進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化后，其疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕的性能大大提高了，其使用壽命可以達(dá)到上萬年的使用設(shè)計(jì)要求。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的焊縫在一周后未

53、見腐蝕，而未經(jīng)強(qiáng)化的焊縫24小時(shí)后即出現(xiàn)嚴(yán)重的腐。</p><p>　　1.4 激光沖擊強(qiáng)化的影響因素</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外研究人員越來越多的關(guān)注激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)工藝研究。影響激光沖擊強(qiáng)化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、能量吸收層和約束層、材料等。</p><

54、;p>　　1.4.1 激光參數(shù)</p><p>　?。ˋ） 激光功率密度</p><p>　　FABBRO等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關(guān)系：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，Z=1/（Z1+Z2）式中：A—常量；Z1，Z2—材料和約束層的沖擊波阻抗，I—激光

55、功能功率密度。從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。ZHOU等人也在最近對等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長關(guān)系。</p><p><b>　?。˙） 激光脈寬</b></p><p>　　激光脈寬的大小對金屬材料的沖擊強(qiáng)化效果至關(guān)重要。激光沖擊強(qiáng)化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應(yīng)力均與激光脈寬

56、有關(guān)，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強(qiáng)化效果。然而，過大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效。</p><p>　　1.4.2 能量吸收層和約束層</p><p>　　能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和作用時(shí)間。</p><p><b>　?。ˋ） 能量吸收層</b></

57、p><p>　　能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對強(qiáng)化效果的影響基本可以歸結(jié)為，它與靶材的熱物性行為之間差別，這種差別使等離子體產(chǎn)生和膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時(shí)，激光沖擊波的形成實(shí)際上取決于涂層與激光之間的作用。張等人采用改進(jìn)的黑漆涂層進(jìn)行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護(hù)效果和抗剝離能力效果明顯。</p><p><b>　?。˙） 約束層</b></p><

58、;p>　　在涂層的外面覆蓋的一層透明材料稱之為約束層。理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強(qiáng)了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。因此, 約束層結(jié)構(gòu)能有效提高激光誘導(dǎo)沖擊波的峰壓值,增加沖擊波的脈寬。在約束模式下沖擊波峰壓達(dá)到10GPa, 激光沖擊波的脈寬提高到激光脈沖寬度的2-3倍。</p><p>　　約束層對沖擊強(qiáng)化效果的影響比較明顯，延長了等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和沖擊

59、時(shí)間。約束層主要采用K9光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠,合成樹脂和水等。玻璃類約束層對沖擊壓力提升效果最明顯,但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結(jié)合力小，且難以重復(fù)利用；水約束層的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、清潔、重復(fù)效果好，可用于加工曲面，而且流動(dòng)的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優(yōu)勢是其他所有約束介質(zhì)無法取代的。張等人發(fā)現(xiàn)分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會起到更好的沖擊效果。同時(shí)采用水作為約束層存在缺點(diǎn)：剛性差

60、異導(dǎo)致約束效果不及玻璃；高功率下易產(chǎn)生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對激光形成散射。在使用水作為約束層時(shí)，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點(diǎn)。</p><p><b>　　1.4.3 材料</b></p><p>　　材料的不同，沖擊強(qiáng)化的效果也隨著不同，陳等人對三種不同材料進(jìn)行

61、激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。</p><p>　　1.5 常見激光沖擊工藝</p><p>　　激光沖擊工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及激光與材料的相互作用.沖擊波傳播及其對材料的加載機(jī)制.動(dòng)態(tài)塑形理論，高壓高應(yīng)變下物態(tài)方程等眾多學(xué)科領(lǐng)域。</p><p>　　當(dāng)高功率密度.短脈沖激光束通過透明的約束層照射到涂有涂層的金屬表面時(shí)，表

62、面涂層吸收激光能量后迅速氣化并發(fā)生電離，形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的沖擊波。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，將使金屬表面產(chǎn)生一定的塑形變形，同時(shí)使金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化，改善了材料的疲勞性能。</p><p>　　小孔激光沖擊強(qiáng)化包含2種工藝方法：</p><p>　　先鉆孔后激光沖擊（如圖1.8）；</p><

63、p>　　圖1.8 先鉆孔后激光沖擊處理</p><p>　　2）先激光沖擊后鉆孔（如圖1.9）。</p><p>　　圖1.9 先激光沖擊處理后鉆孔</p><p>　　1.6 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化是利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高達(dá)數(shù)G帕的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改

64、善了金屬材料的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能，表面硬度等（如圖1.10）。具有如下的特：（1）高壓、高應(yīng)變率。沖擊波峰壓力達(dá)到數(shù)萬個(gè)大氣壓；應(yīng)變率達(dá)到107S-1，比噴丸強(qiáng)化高出萬倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性變形時(shí)間僅僅幾十納秒。（3）無機(jī)械和熱應(yīng)力損傷。激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機(jī)械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，

65、所以無熱應(yīng)力損傷。</p><p>　　圖1.10 2024-T351 表面沖擊硬度分布</p><p>　　圖 1.11 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉激光沖擊強(qiáng)化圖</p><p>　　圖1.12 F101生產(chǎn)線的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)（美國）</p><p>　　1972年，美國BATTELLS Columbus 實(shí)驗(yàn)室的FAIRAND B.P.等人首次用高

66、功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織和機(jī)械性能，研究表明其屈服強(qiáng)度提高30%。如圖（1.12）。隨后在對2024 T351鋁合金試件進(jìn)行激光沖擊試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)激光沖擊后表面硬度有較大的提高；另外實(shí)驗(yàn)還表明，激光沖擊后的在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小及其作用深度較傳統(tǒng)處理方式有很大的改善。在研究了激光沖擊強(qiáng)化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。另外，科研人員擴(kuò)大研究范圍，對6061-T6合金、2024T3合金、Ti

67、-6AL-4V合金進(jìn)行沖擊，提高其耐疲勞強(qiáng)度，并認(rèn)為表面硬度的提高是由于強(qiáng)化產(chǎn)生的位錯(cuò)引起的。最近YILBAS等人研究了純鋁的激光沖擊強(qiáng)化特性，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織也會產(chǎn)生位錯(cuò)現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)：對18Ni 馬氏體時(shí)效鋼的焊縫進(jìn)行處理后，耐疲勞強(qiáng)度提高17%。SENECHA等人研究了激光誘導(dǎo)的沖擊波在鋁薄片中的傳播，表明數(shù)值模擬可以很好計(jì)算激光吸收系數(shù)。激光沖擊強(qiáng)化在中國還處于研究和初步應(yīng)用階段，從事這方面研究的主要有南京航空航天大

68、學(xué)和江蘇大學(xué)。最近，W.</p><p>　　圖1.13 MIC激光沖擊葉片（美國）</p><p>　　在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的工程應(yīng)用方面，美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化時(shí)代。1995年美國的Jeff DULANEY創(chuàng)建激光沖擊處理公司。主要是向業(yè)界提供優(yōu)質(zhì)的LSP 服務(wù)和設(shè)備。同年美國加利福尼亞大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MIC（Metal Improvement Co .Inc.）開發(fā)研制了

69、平均功率為600W、功率為3GW、每鐘之內(nèi)能產(chǎn)生10個(gè)脈沖釹玻璃激光器，成功用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉的強(qiáng)化，如圖6 所示。1997年GEAE公司（通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠）將激光沖擊強(qiáng)化用于B-1B/F101發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費(fèi)9900萬美元，如圖所示。2002年，美國MIC公司將激光沖擊強(qiáng)化用于葉片生產(chǎn)線，如圖所示，每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)、零件更換費(fèi)幾百萬美元，隨后擴(kuò)展應(yīng)用于F16 戰(zhàn)斗機(jī)及最先進(jìn)的F22戰(zhàn)斗機(jī)。據(jù)估計(jì)，僅用于軍用戰(zhàn)斗

70、機(jī)葉片的處理，美國就可節(jié)約成本逾10億美元。2005年國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機(jī)、水輪機(jī)的葉片處理，石油管道，汽車關(guān)鍵部件減量化等。據(jù)報(bào)道僅僅石油管道焊縫的處理就達(dá)10億美元以上的收益。</p><p>　　第二章 激光沖擊小孔的數(shù)值建模</p><p>　　激光沖擊工藝復(fù)雜，強(qiáng)化效果影響因素較多，完全采用實(shí)驗(yàn)手段研究該工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)值模擬可以用來預(yù)測激光沖擊強(qiáng)化效果，根據(jù)有

71、限元模擬獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進(jìn)一步的疲勞壽命設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。</p><p>　　本文以ABAQUS軟件為平臺，建立激光沖擊強(qiáng)化前后的疲勞壽命預(yù)測模型，模擬時(shí)主要研究激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力場及塑形變形兩者的協(xié)同效應(yīng)，分析其對疲勞壽命的影響機(jī)理。</p><p>　　2.1 數(shù)值模擬的總體思路<

72、/p><p>　　本文基于ABAQOS軟件平臺，采用先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過有限元建模，建立起激光沖擊參數(shù)--殘余應(yīng)--疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。用不同激光沖擊參數(shù)沖擊強(qiáng)化小孔，研究分析小孔殘余應(yīng)力場，進(jìn)而分析對小孔疲勞壽命的影響。</p><p>　　總體思路為：激光沖擊過程的動(dòng)態(tài)加載是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問題。激光誘導(dǎo)的沖擊波波峰數(shù)值壓力較大且作用時(shí)間短，當(dāng)金屬局部表面受到這種沖

73、擊載荷作用時(shí)，擾動(dòng)會逐漸由近及遠(yuǎn)傳播到未受擾動(dòng)的區(qū)域中去，這種擾動(dòng)的傳播就是應(yīng)力波。選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材，由于應(yīng)力波作用所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。由于應(yīng)力波在金屬靶材內(nèi)部傳播過程中存在反射和相互作用，因此為了使靶材獲得充分的塑性變形，必須使設(shè)定的顯式算法的計(jì)算時(shí)間大于激光誘導(dǎo)沖擊波的持續(xù)時(shí)間。為了以最小的計(jì)算機(jī)時(shí)獲得最終靶材表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)力場分布， 需要將應(yīng)用動(dòng)力顯式算法得到的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入適合于計(jì)算靜態(tài)和自然頻率響應(yīng)問題的靜力隱

74、式算法模塊進(jìn)行平衡回彈運(yùn)算。另外，在模擬單點(diǎn)多次激光沖擊形成的殘余應(yīng)力場時(shí)，第一次沖擊計(jì)算得到的殘余應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值應(yīng)作為初始值讀入顯式積分算法模塊中，以進(jìn)行第二次沖擊波加載的有限元計(jì)算。</p><p>　　總體有限元模擬流程為：輸入文件編輯，動(dòng)態(tài)分析，靜態(tài)分析，殘余應(yīng)力場分析。</p><p>　　2.2 ABAQUS建模過程</p><p>　　激光沖擊強(qiáng)化金屬

75、板料致使材料表面產(chǎn)生塑性變形，其沖擊能量來源于激光沖擊與金屬材料相互作用時(shí)在表面產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊波。沖擊波載荷的大小、加載方式及加載時(shí)間是影響數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵。因此，如何設(shè)置激光沖擊波載荷大小和加載方式是模擬激光沖擊強(qiáng)化的關(guān)鍵問題。</p><p>　　2.2.1 幾何模型的建立</p><p>　　ABAQUS的part模塊里面可以建立草圖，也可以進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等操作。建立

76、模型時(shí)應(yīng)注意尺寸，以免模型過大或過小對沖擊效果有影響。本文研究激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，模型如下（該有限元模型孔半徑5mm，厚度5mm，采用LY12CZ鋁合金。）：</p><p>　　圖2.1 幾何模型的建立</p><p>　　2.2.2 材料的本構(gòu)模型</p><p>　　材料本構(gòu)模型是根據(jù)材料及模型的變形情況來選擇的，是綜合考慮的結(jié)果。選擇本構(gòu)模型最核

77、心的一點(diǎn)是：利用某本構(gòu)模型擬合得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)應(yīng)最大程度上能反映你所使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，吻合程度越好，說明選擇的模型對這組材料越適合。</p><p>　　J-C模是由Johnson和Cook于1983年針對金屬材料在大變形.高應(yīng)變速率和高溫條件下的流變行為提出的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?lt;/p><p>　　J-C模型形式簡單，參數(shù)少，使用方便，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是J-C模型實(shí)際上是將材料的力

78、學(xué)行為歸結(jié)為應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變速率效應(yīng)和溫度效應(yīng)相乘的一種經(jīng)驗(yàn)型本構(gòu)模型，這與材料的實(shí)際流變行為有些不一致，如J-C模型中將應(yīng)變速率效應(yīng)看作是應(yīng)變速率對數(shù)的線性函數(shù)，這與一些材料的實(shí)際情況不太一致，為此有研究人員提出了應(yīng)變速率效應(yīng)是應(yīng)變速率對數(shù)的指數(shù)函：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　式中：εp為塑性應(yīng)變；ε*＝ε/εo ，ε為無量綱

79、應(yīng)變速率，εo為參考應(yīng)變速率；T*＝（T－Tｒ）/（Tｍ－Tｒ），為無量綱溫度，T為試驗(yàn)溫度，Ｔｒ?yàn)槭覝販囟?，Tｍ為金屬材料的熔點(diǎn)溫度；A，B，C，ｎ，ｍ 為5個(gè)待定系數(shù)。</p><p>　　本論文研究的參數(shù)為：A為325，B為555，C為-0.001，m為2.20，n為0.28。</p><p>　　材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為70GP，泊松比為0.33。</p

80、><p>　　2.2.3 網(wǎng)格劃分</p><p>　　劃分網(wǎng)絡(luò)是有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)絡(luò)形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差異，因而對計(jì)算機(jī)精度和計(jì)算規(guī)模會產(chǎn)生顯著的影響。</p><p>　　有限元網(wǎng)格數(shù)量的多少和質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會有所提高，但同時(shí)

81、計(jì)算規(guī)模也會增加，網(wǎng)格較少時(shí)，增加網(wǎng)格數(shù)量可以顯著提高計(jì)算精度，而計(jì)算時(shí)間不會有很大的增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格數(shù)量后的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較疏密兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果，如果兩種計(jì)算結(jié)果相差較大，應(yīng)該繼續(xù)增加網(wǎng)格，重新計(jì)算，直到誤差在允許的范圍之內(nèi)。下圖為本論文模擬時(shí)的網(wǎng)格劃分:</p><p>　　圖2.2 模擬過程中的網(wǎng)格劃分</p><p>　　2.2.4 載荷模塊</p&g

82、t;<p>　　載荷可以根據(jù)與時(shí)間相關(guān)的幅值變化，集中力既可以參考總體坐標(biāo)系，也可以參考局部坐標(biāo)系或基準(zhǔn)坐標(biāo)系。在FABBRO研究的基礎(chǔ)上, 通過估計(jì)沖擊波峰數(shù)值壓力的大小, 以及由PVDF 傳感器得到的沖擊波壓力幅值-時(shí)間曲線實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)沖擊波的精確加載。</p><p>　　（A）激光誘導(dǎo)沖擊波峰壓估算</p><p>　　由于激光沖擊波加載本身的特殊性，即受作用時(shí)間短(

83、ns級)、壓力大(G Pa級)，因此用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。因此，在激光沖擊強(qiáng)化模擬過程中，將沖擊波載荷簡化為作用在沖擊區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的壓力載荷，然后將其作為載荷直接作用在板料表面。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。目前，模型中的沖擊波峰數(shù)值壓力采用的是約束模式，因此本節(jié)只探討約束模式下的沖擊波壓力。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播理論，在沖擊波陣面上，其質(zhì)量、動(dòng)量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關(guān)系，推得激光沖

84、擊波峰值壓力估算。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中A為吸收系數(shù)，0.80-0.95；r為等離子體的絕熱指數(shù)，這里取1.67；，分別為靶材和約束層的材料聲阻抗，單位kg/s；和分別為與能量吸收層和約束層密度有關(guān)的參量，單位kg/；P為等離子體的密度，單位kg/，可看作為是約束層材料、能量吸收層和工件材料汽化蒸汽的綜合體；而為激光

85、功率密度，單位W/；為沖擊波壓力峰值，單位G pa。</p><p>　　在FABBRO R 等人的研究基礎(chǔ)上，考慮到表面涂層的吸收率和約束層的透射率，激光誘導(dǎo)的沖擊波峰數(shù)值壓力也可以表示為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，P為激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力，Io為激光脈沖功率密度，M為約束層對激光的透射率

86、；A為表面涂層對激光的吸收率；Z=*/（+）為金屬材料與約束層的匹配阻抗，為金屬材料的沖擊阻抗,為約束層的沖擊阻抗。</p><p>　?。˙）激光誘導(dǎo)沖擊波壓力幅值-時(shí)間曲線及空間分布</p><p>　　在有限元模擬過程中, 假設(shè)激光誘導(dǎo)沖擊波的空間分布是均勻的, 時(shí)間分布則由PVDF傳感器記錄的壓電信號經(jīng)積分運(yùn)算后得到, 積分公式為:</p><p><

87、b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中, K為動(dòng)態(tài)標(biāo)定系數(shù), A為PVDF有效激活面積,R為PVDF兩極并聯(lián)電阻( 50歐 )。</p><p>　　根據(jù)激光脈沖作用時(shí)間和實(shí)驗(yàn)記錄的脈沖信號，可以將激光誘導(dǎo)的沖擊波載荷按照激光脈沖信號的分布，采取分段逐次逼近的辦法實(shí)現(xiàn)激光脈沖載荷的加載。激光沖擊波壓力值在整個(gè)作用時(shí)間內(nèi)并不相等，是隨時(shí)間的變化而變化的，先是上

88、升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為準(zhǔn)高斯分布形式。</p><p>　　圖2.3 激光沖擊波壓力加載幅度曲線</p><p>　　圖2.4 激光束光斑內(nèi)功率密度分布</p><p><b>　?。–）定義載荷</b></p><p>　　根據(jù)公式（2-2）可知：由不同的激光參數(shù)可以通過此式計(jì)算出沖擊波的峰值壓力，然后輸入如圖2.6

89、所示的表中。沖擊波設(shè)定成三角波，其波形曲線可由下圖2.7來編輯。默認(rèn)情況下，一般靜態(tài)分析布中使用斜坡幅值曲線。還可以使用用戶自定義的幅值曲線。</p><p>　　圖2.5 輸入載荷編輯框</p><p>　　圖2.6 定義沖擊波的相關(guān)參數(shù)圖</p><p>　　在模型中，載荷的定義被自動(dòng)傳播到后繼的分析步中；在后繼的分析步中還可以修改載荷的定義。</p>

90、;<p>　　2.2.5邊界條件的設(shè)置</p><p>　　對于有限單元區(qū)域，邊界條件是限制對稱軸上節(jié)點(diǎn)沿半徑方向的位移。無限單元體的引入可以作為一種靜態(tài)邊界條件處理。有限單元的自由邊界可以反射應(yīng)力波，無限單元?jiǎng)t可以盡量減少應(yīng)力波從自由界面反射回有限單元體內(nèi)。在有限元模擬過程中還考慮了幾何非線性的影響。圖2.5為本論文模擬時(shí)的邊界約束，圖中有力作用的模型邊界為所約束的邊界。</p>&

91、lt;p>　　圖2.7 動(dòng)態(tài)模擬過程中邊界條件的約束</p><p>　　上圖為動(dòng)態(tài)分析時(shí)所加的邊界約束，而在靜態(tài)分析時(shí)其邊界條件就要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如圖2.8所示為靜態(tài)分析時(shí)的邊界條件。</p><p>　　圖2.8 靜態(tài)分析時(shí)的邊界條件示意圖</p><p>　　指定邊界條件可以隨著時(shí)間相關(guān)的幅值定義變化，機(jī)械邊界條件既可以參考總體坐標(biāo)系，也可以參考局部坐標(biāo)

92、系或基準(zhǔn)坐標(biāo)系。對于結(jié)構(gòu)，載荷和邊界條件對稱的情況（包括正對稱和反對稱），可以建立對稱面一側(cè)的模型用來計(jì)算，并對該對稱面施加正對稱或反對稱邊界條件。</p><p>　　2.2.6 ABAQUS中分析步模塊</p><p>　　創(chuàng)建一個(gè)模型數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)默認(rèn)創(chuàng)建初始步（initial），位于所有分析步之前。用戶可以在初始步中設(shè)置邊界條件和相互作用，使之在整個(gè)分析中起作用，但不能編輯，替換，

93、重命名和刪除初始步。ABAQUS可以在初始步后創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)分析步，有以下幾個(gè)常用的分析步;</p><p>　　Static General(靜力學(xué)分析)分析步：用于分析線性或非線性靜力學(xué)問題</p><p>　　Dynamic, implicit(隱式動(dòng)力學(xué)分析)分析步：用于分析線性或非線性動(dòng)力學(xué)問題</p><p>　　Dynamic, explicit(顯式

94、動(dòng)力學(xué)分析)分析步：用于顯式動(dòng)力學(xué)分析</p><p>　　Static, Linear perturbation(線性攝動(dòng)靜力學(xué)分析)分析步：用于線性靜力學(xué)分析</p><p>　　本文設(shè)置寫入輸出數(shù)據(jù)庫的變量，包括場變量（以較低的頻率將整個(gè)模型或模型的大部分區(qū)域的結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫）和歷史變量（以較高的頻率將模型的小部分區(qū)域的結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫），如圖2.9,。</p>

95、<p>　　圖2.9 ABAQUS編輯場變量時(shí)輸出要求界面</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章先是提出了模擬分析的總體思路，然后再介紹了數(shù)值建模的一般過程。</p><p>　　盡管激光沖擊小孔的過成是在短暫的時(shí)間里完成的，但是其動(dòng)態(tài)變化過程卻仍然可以幫助我們理解激光沖擊的內(nèi)部原理，ABAQ

96、US就可以幫我們分析這個(gè)過程，先動(dòng)態(tài)分析以后，然后再靜態(tài)分析，這是數(shù)值分析的一般步驟。</p><p>　?。?）ABAQUS可以完成多種類型的分析，如靜態(tài)分析.動(dòng)態(tài)分析.非線性分析.等。</p><p>　?。?）ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式圖形環(huán)境，可以方便快捷地構(gòu)建模型，提交作業(yè)和顯示分析結(jié)果。</p><p>　　（3）ABAQUS由多個(gè)模塊組

97、成，包括前處理模塊.主求解器模塊.以及接口等專用模塊。</p><p>　　（4）利用ABAQUS可以幫助我們分析許多線性和非線性問題，計(jì)算機(jī)的計(jì)算可以幫我們更好的節(jié)省時(shí)間，其分析及計(jì)算量是非常大的，在計(jì)算機(jī)步出錯(cuò)的情況下我們可以信任它。</p><p>　　（5）在數(shù)值建模的每一步，都需要根據(jù)實(shí)際問題來處理，每一步的處理不當(dāng)都可能對結(jié)果產(chǎn)生各種影響，特別是邊界條件的設(shè)置，對沖擊結(jié)果會產(chǎn)生

98、很大影響，在做的過程中，各種參數(shù)一定要正確，對結(jié)果的真實(shí)性影響很大。</p><p>　　第三章 激光沖擊過程中應(yīng)力場的數(shù)值模擬</p><p>　　應(yīng)力分布是激光沖擊小孔并改性的宏觀表現(xiàn)，通過對應(yīng)力場的數(shù)值模擬來更好的分析疲勞壽命以及改性的效果。激光沖擊改性延壽處理裂紋表面工藝過程復(fù)雜，影響因素較多，建立裂紋表面工藝過程的數(shù)值模型可以為激光沖擊改性處理工藝改進(jìn)或新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓節(jié)省大量的

99、時(shí)間和成本。</p><p>　　3.1 激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇</p><p>　　激光沖擊處理工藝參數(shù)指的是: 激光脈沖(平均) 功率密度、光斑直徑和激光脈沖寬度(FWHM) ,三者之間的關(guān)系可以表示為:</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　其中,E為激光脈沖能量,為激光脈沖功率密

100、度,D為光斑直徑,S為激光脈沖寬度。</p><p>　　因此激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇實(shí)質(zhì)上是對激光脈沖功率密度、光斑直徑和激光脈沖寬度的選擇。</p><p>　　3.1.1 激光脈沖功率密度的選擇</p><p>　　為了在金屬表面獲得塑性變形, 激光沖擊所產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力必須超過被處理金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度即：</p><p>&

101、lt;b>　?。?-2）</b></p><p>　　聯(lián)立（2.2）和（3.2），可得激光沖擊處理所需的最小激光脈沖功率密度為: （3-3）</p><p>　　另一方面, 為了防止材料發(fā)生層裂, 激光沖擊產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力不應(yīng)超過材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，即：</p&g

102、t;<p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　聯(lián)立（2.2）和（3.4）可得可得激光沖擊處理時(shí)所需的最大激光脈沖功率密度為:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　由此可見，金屬材料激光沖擊處理時(shí)所需的激光脈沖功率密度范圍為:</p><p&

103、gt;<b>　?。?-6）</b></p><p>　　3.1.2 光斑直徑的選擇</p><p>　　如圖2.1 所示, 薄板在x軸方向受均勻分布的拉應(yīng)力作用, 板中有一直徑為d的小圓孔。</p><p>　　圖2.1拉伸載荷作用下無限平板上小圓孔的受力</p><p>　　對于無孔的平板，板中的各應(yīng)力分量為:<

104、;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　當(dāng)在平板上開一個(gè)直徑為d的小孔后，板中的各應(yīng)力分為:</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　在圖2.1所示的條件下，小孔的疲勞裂紋是沿y軸方向形成和擴(kuò)展的。因而y 軸的應(yīng)力狀態(tài)直接影響裂紋的形成和擴(kuò)展。沿y

105、軸, 即=時(shí)，代入(3.8)式， 各應(yīng)力分量為:</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　當(dāng)r=3/2d 時(shí), y軸方向的各應(yīng)力分量為:</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　這種狀態(tài)相當(dāng)于無孔平板受拉伸時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。因此在激光沖擊處理小孔

106、時(shí), 為降低應(yīng)力集中所產(chǎn)生的最大應(yīng)力, 提高小孔抗疲勞斷裂能力, 應(yīng)使小孔在3d 的范圍內(nèi)得到強(qiáng)化。因此對小孔進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理時(shí), 激光光斑直徑D應(yīng)滿足:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　3.1.3 激光脈沖寬度的選擇</p><p>　　為了獲得較大的強(qiáng)化深度, 需要采用較大的激光脈沖寬。但是, 過大

107、的激光脈沖寬度易造成金屬表面燒蝕 。因此, 一般情況下, 激光脈沖寬度應(yīng)</p><p>　　在幾個(gè)納秒到幾十納秒之間。</p><p>　　3.2激光沖擊過程中的動(dòng)態(tài)分析</p><p>　　激光沖擊的前過程是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，通過激光沖擊與材料表面作用而產(chǎn)生力的變化，以此來實(shí)現(xiàn)彈性形變。整個(gè)過程中靶體表面及內(nèi)部的應(yīng)力場始終在變化，通過ABAQUS軟件可以清楚地看到整個(gè)

108、過程。</p><p>　　本論文所要研究的對象是以模擬鋁合金在沖擊前后應(yīng)力場的變化來近一步分析激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，因此通過模擬動(dòng)態(tài)變化過程可以更直觀.清晰地了解沖擊改性的原理及方法，下面是通過ABAQUS來模擬的不同時(shí)刻靶體的應(yīng)力場分布圖：</p><p>　　圖2.2 0ns時(shí)的應(yīng)力分布 圖2.3 100ns時(shí)的應(yīng)力分布 <

109、/p><p>　　圖2.4 200ns時(shí)的應(yīng)力分布 圖2.5 300ns時(shí)的應(yīng)力分布</p><p>　　圖2.6 400ns時(shí)的應(yīng)力分布 圖2.7 500ns時(shí)的應(yīng)力分布</p><p>　　圖2.8 600ns時(shí)的應(yīng)力分布 圖2.9 700ns時(shí)的應(yīng)力分布</p><p>　　從

110、圖中可以看出激光沖擊波作用結(jié)束后，材料中仍然存在著向前傳播的應(yīng)力波。在圖t=300ns，說明在應(yīng)力波傳播過程中，傳播距離越大，沖擊波強(qiáng)度越弱，這是由于介質(zhì)內(nèi)部固有的粘性使沖擊波隨著傳播距離的增大產(chǎn)生了不可逆的能量損耗，而且塑形加載波在不斷向前傳播的同時(shí)，卸載擾動(dòng)以大于塑性加載波波速的速度對其不斷追趕，而產(chǎn)生卸載，這些都會減弱沖擊波的強(qiáng)度。當(dāng)t=600ns時(shí)，應(yīng)力波已傳到了有限元體的最底部，由于無線單元體的原因，一部分應(yīng)力波透過無限單元，