激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲成形相对于传统成形工艺的优势已逐渐被人们所认识,但目前应用该技术的最大障碍是如何将工艺参数与最终成形相联系。数值模拟技术为解决该问题提供了有效手段。概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型最新进展。指出了未来应重点研究的几个方向。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

管材激光弯曲规律的试验研究

通过实验研究管状件激光弯曲成形的机理以及成型规律。金属管状零件的激光弯曲成形是一种利用激光加热来实现构件的柔性成形技术,其基本原理是利用高能激光束扫描金属管表面,加热区域材料的热膨胀引起材料产生堆积,冷却后,该区域材料沿轴向上的缩短,导致了金属管朝向激光束的弯曲从而最终实现无模具成形。影响金属管状零件激光弯曲成形的工艺参数主要有激光功率、扫描角度、扫描次数、光斑直径和扫描速度。通过实验研究了工艺参数对弯曲角度的影响。在一定取值范围内,增大激光功率,增大扫描角度,增加扫描次数,降低扫描速度均可以使弯曲角度变大;增大光斑直径,弯曲角度会变小。     

扫描次数对钢板激光弯曲成形影响的模拟

研究了6 mm和9 mm两种厚度的钢板在不同激光工艺参数下扫描次数对激光弯曲成形过程的影响.利用三维热力耦合有限元(FEM)模型模拟计算了激光多次扫描弯曲成形过程的温度场、应力场和弯曲角度的变化.测忖量了成形过程中温度和弯曲角度的变化,模拟结果与实验结果符合较好.模拟结果表明,每次扫描过程中温度场变化基本相同,残余应力和钢板弯曲角度随激光扫描次数的增加而增大.随着扫描次数的增加,6 mm厚钢板的弯曲角度增量减小,而9 mm厚钢板的弯曲角度呈线性增大.激光工艺参数影响钢板下表面的应变强化程度,在不同的激光工艺参数下不同厚度钢板的弯曲角度随扫描次数的增加变化规律不同.     

预应力作用下微尺度激光弯曲成形的数值模拟

应用一种新的激光弯曲成形工艺,通过施加位移约束,使厚度为0.1 mm的304不锈钢箔加热区产生预期的预应力分布.针对激光弯曲成形的特点,建立三维热力耦合模型,基于塑性皱曲机制(BM).对三种不同预约束应力状态下微尺度激光弯曲成形过程进行数值模拟.通过对比三种不同模型的模拟结果,分析了预约束应力作用下,微尺度激光弯曲成形的成形机制.研究发现,预应力作用下激光弯曲成形是热应力与预应力综合作用的结果,在预应力作用下激光弯曲成形效果显著增加.在塑性皱曲机制下,通过控制预约束作用的方向和大小以及选择合适的激光工艺参数可以得到任意方向的弯曲成形角.弯曲角度随预应力的增大而增大,两者之间呈近似线性关系.     

不同激光热源模式下薄板弯曲特性数值模拟

利用非线性有限元分析软件,建立了纯铝薄板激光成形过程的三维弹塑性热力耦合有限元模型.选择等面积的圆形、方形、矩形1/4和矩形4/1光斑激光热源模式(矩形1/4和4/1表示激光光斑沿着光束扫描方向尺寸与垂直光束扫描方向尺寸的比例分别为1∶4和4∶1),对不同激光热源模式下的板材弯曲特性进行了数值模拟计算,并分析了各种热源模式作用下板材温度场、位移场和应力应变场的特点.结果表明,在扫描过程中,圆形光斑热源模式获得了最高的峰值温度和上下表面温度差;而矩形1/4激光热源模式获得了最大的高温区作用宽度.矩形1/4激光热源模式产生了最大的塑性区宽度及上下表面总塑性应变差,因此获得了最大的弯曲角,内部残余应力最低.     

铝-锂合金薄板激光弯曲成形工艺参数的优化

激光弯曲成形是一种新型金属板材柔性成形方法.利用正交试验法理论对航空航天用铝-锂合金AA2090薄板激光弯曲成形进行试验设计和优化;通过对试验结果的计算和分析,得出四个与激光能量有关的工艺参数对铝-锂合金薄板激光弯曲成形影响的主次顺序为:激光功率、扫描速度、扫描次数、光斑直径;同时得出了最优工艺参数组合.对所得的最优工艺参数组合进行了试验验证.     

多道次板料激光弯曲成形热力耦合有限元分析

板料激光弯曲成形是利用高能激光束照射材料表面进而诱发产生热应力使板料发生塑性变形的新技术,但实现一个较大角度的弯曲以满足实际工程要求则必须沿同一轨迹重复扫描。因此,深入研究多道次成形过程中板料的动态变化过程对于将该技术推向实用化具有重要意义。针对该特点,建立了多道次激光弯曲成形的三维热力耦合有限元模拟模型,研究了扫描过程中的温度、形变以及应力变化情况,并分析了能量密度对弯曲变形的影响规律,为多道次激光扫描工艺参数的优化和变形机理的研究提供依据。     

选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场数值模拟研究

采用Ansys有限元分析软件,对选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场分布进行数值模拟。在考虑随温度变化的热物理参数情况下,建立选择性激光熔化有限元模型,利用在Ansys-Workbench中插入参数化设计语言,实现高斯锥形体热源的加载,研究功率和速度对成形过程温度场的影响。模拟结果表明：在单层多道模拟时,随着SLM激光功率增大和扫描速度的下降,SLM成形HEA CoCrFeMnNi的熔池长度和宽度呈增大趋势;先扫描的区域会对未扫描的区域起预热作用且存在热积累现象,在平行于SLM激光扫描方向存在较大的温度梯度。     

激光近净成形CBN磨具温度场仿真分析

为了探究激光近净成形CBN磨具实验时的温度场分布,用Simufac.Welding对其进行三维建模数值模拟。采用高斯面热源和圆柱体热源组合热源,综合考虑对流、热传导、相变潜热及热物性参数的影响,分析了不同工艺参数下温度场的分布规律,另外进行了实际测温,验证了温度场仿真的可靠性,最后根据剖面显微硬度值分析了激光近净成形加工的急热急冷特征。     

钢管激光弯曲成形的数值模拟

为了研究钢管激光弯曲过程,采用数值模拟的方法研究了激光弯曲钢管的温度场以及应力应变场的变化特点,分析了激光弯曲钢管的动态过程,解释了激光弯曲钢管过程中沿钢管壁厚各点的弹塑性变形的规律.结果表明,在给定技术参数下,激光扫描处横截面沿壁厚方向均产生压缩塑性变形,且下表面的压缩塑性应变比上表面要大,并解释了其机理.同时研究了激光工艺参数对弯曲成形角的影响,随着激光功率或激光扫描角度的增加,弯曲角度增加.     

激光能量密度对激光弯曲成形的影响

激光弯曲成形是一种热应力成形塑性加工技术.光斑的能量密度的大小对弯曲角度和材料的组织性能影响很大.增加能量密度,板料的弯曲角度显著增大.对于一种材料,总存在一组特定的工艺参数(光束输出功率、扫描速度、光斑大小等)使板料的弯曲角度最大.而且通过合理控制光斑的能量密度,可以显著改善变形区材料的组织和性能.     

钦合金件激光弯曲成形形状和尺寸精度控制的研究

研究了TC4钛合金薄板激光弯曲成形工艺.设计了具有气体保护的成形专用夹具并研究了激光弯曲时工艺参数及扫描路径对钛板最终成形形状和尺寸精度的影响以及激光弯曲对材料性能与微观组织的影响.确定激光弯曲扫描轨迹间隔距离在78.6 mm时,工件尺寸在误差范围800+05 mm内.观察金相微观组织发现热影响区约占板厚1/3,相变析...     

基于ABAQUS的激光板料成形的数值模拟研究

激光板料成形技术是一种柔性无模的金属板料成形新工艺。本文通过对ABAQUS有限元软件和激光热应力成形及激光喷丸成形这两种激光板料成形方式的简要介绍,着重分析了ABAQUS有限元软件在激光热应力成形和激光喷丸成形数值模拟方面的应用,并对数值模拟中关于载荷定义、本构关系、网格划分、边界条件等关键问题的处理进行了分析,且给出了具体的解决方案。最后以具体的模拟实例指出,ABAQUS软件为激光板料成形的数值模拟提供了强大的分析平台,模拟结果与实验具有较好的一致性,对有效地进行实验具有重要的指导意义。     

板料激光喷丸弯曲成形机制与技术

板料激光喷丸弯曲成形是一种新技术,为中厚板料弯曲成形提供全新的手段,为强激光在板料塑性成形领域的应用开辟了新方向.激光喷丸弯曲成形是利用冲击波诱导的残余应力实现板料弯曲成形,其成形的效果与激光工艺参数、板料几何参数及材料性能等因素有关.根据喷丸路径,把激光喷丸弯曲成形件分为V形件、柱面件、球面圆顶件等.分析了激光喷丸弯曲成形方法及成形装置.最后,介绍了激光喷丸弯曲成形的实际运用并分析了其潜在应用.     

金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟

利用ANSYS有限元软件对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟;在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下,建立了选择性激光熔化(SLM)的三维温度场有限元模型;并利用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载.模拟结果表明随着扫描时间的增加,由于热积累效应,熔池的温度越来越高,热影响区也随之增大;熔化成形过程中,光斑中心的前端存在较大的温度梯度;扫描速度小,容易造成液相的流动,出现孔洞,扫描速度过大,则粉末不能完全熔化;模拟得到的结果与实验结果相吻合.     

能量因素对激光弯曲成形的影响

本文对金属薄板的激光弯曲成形进行了试验研究和数值模拟。试验采用2KW YAG激光器扫描纯铝薄板,完全在热应力作用下使金属板料发生弯曲。在不同激光功率、线能量和面能量条件下进行了激光弯曲成形试验,并建立了激光弯曲成形温度场的数学模型,对金属板料的三维瞬态温度场进行了模拟计算,在此基础上分析了变形温度和应变速度对板料屈服强度的影响及其相互之间的耦合关系,揭示了能量因素对材料温度特性、力学特性及弯曲角的影响特点。     

外载荷对激光弯曲成形影响的数值研究

为了研究外载荷对板材激光弯曲成形的影响,建立三种数值模拟工况:无外载荷作用下的激光弯曲成形、外载荷协同作用下的激光弯曲成形和外载荷作用后的激光弯曲成形,并采用顺序热应力耦合分析技术进行数值模拟。首先对板材模型进行传热分析获得瞬态温度场,然后将其导入三种模拟工况进行位移场的准静态分析。结果表明:施加朝向激光束工作面的弯矩能够有效提高板材的弯曲程度,其中外载荷作用后的模拟工况提高的效果最为显著;施加背向激光束工作面的弯矩会使板材发生反向弯曲,并在激光束终点的位置产生位移场的边界效应。     

板料激光弯曲成形的温度场三维数值研究

板料激光弯曲成形是一种利用激光成形构件的柔性成形技术,以平板激光单次扫描成形的过程为研究对象,应用有限元分析软件ANSYS进行二次开发,对温度梯度机理下弯曲成形过程的温度场进行了系统的研究。建立了温度场的有限元分析模型,研究了给定技术参数下激光弯曲温度场的动态变化过程和温度场的分布,以及各技术参数对峰值温度和温度梯度的影响规律。     

金属板料激光预应力复合的喷丸成形

在对激光热应力成形(LTF)和激光喷丸成形(LPF)的技术优势进行分析的基础上,提出了一种板料激光预应力复合喷丸成形技术,其将连续激光的热堆积作用和脉冲激光的冲击波作用相结合,是一种热效应和力效应复合的成形方法。板料激光预应力复合喷丸成形技术首先使用CO2激光器对2 mm厚的SUS304不锈钢板料按特定的轨迹扫描以施加预应力,实现板料基本形状成形,然后通过ATOS-Ⅱ光学扫描测量系统测量成形后板料表面的轮廓点云图,利用逆向软件Imageware建立成形板料的虚拟模型。利用有限元软件ABAQUS与逆向软件Imageware的接口,将虚拟模型转换为有限元分析模型,通过调整激光工艺参数和控制激光喷丸轨迹,模拟得到最优的残余应力场分布。然后使用数值模拟优化的激光工艺参数和喷丸轨迹进行板料激光喷丸成形实验。结果表明,经激光复合成形的板料获得预期的形状,且正反两面都呈残余压应力场分布。