Al-Mg-Sc合金板激光冲击成形的试验研究与有限元分析

利用高功率钕玻璃激光器对Al-Mg-Sc合金板进行了激光冲击成形试验研究,用Taylor Hobson三坐标表面轮廓测量机测量了冲击后板料的变形量.对激光冲击成形过程建立了有限元分析模型,采用非线性商用有限元软件MSC.Marc对激光冲击载荷下Al-Mg-Sc合金板料成形过程进行了成功模拟.试验与仿真结果表明,随着激光能量的增加,板料激光冲击成形的变形量增大,在激光能量不变的条件下,当凹模约束孔径增大时,板料的变形量随之增大,板料的变形量沿半径方向随着冲击波压力的变化呈现高斯分布.     

脉冲激光冲击金属板料变形的数值模拟

激光冲击板料变形是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新技术.利用ABAQUS软件对激光冲击下板料的变形过程进行了数值模拟,比较了不同激光参数对板料变形量的影响,并在激光单点冲击成形的基础上探讨了激光多点冲击成形.     

激光冲击低碳钢箔的有限元分析

激光微冲击成形是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应,使超薄板材产生塑性变形的新技术。为揭示板材参数、激光参数、微凹模直径等对成形过程的影响,利用动态显式有限元法,对低碳钢箔的激光微冲击成形进行了反映率效应和尺度效应的晶粒级有限元模拟,结果表明,晶界对激光微冲击成形的影响很大,薄板的下凹变形随晶界厚度的减小而增大,二者呈近似线性关系;板材晶粒越不规则,其变形量越大;激光冲击的峰值压力是箔材变形的主要因素,随峰值压力的提高,变形量增大;单点多次冲击时,首次冲击的变形量最大,以后各次冲击的变形量逐渐减小。     

2024-T351铝合金方形光斑激光喷丸残余应力场数值模拟

为了分析激光喷丸作用后,以2024-T351铝合金为代表的高强航空铝合金材料表面和内部残余应力的分布情况,并为后续板料激光喷丸变形分析打下基础,在ABAQUS软件平台上,构建了一种方形光斑激光冲击的有限元计算模型,对方形光斑激光冲击诱导的残余应力场进行了数值模拟,分析了在无搭接和搭接率为25%的两种情况下,激光冲击产生的残余应力场在空间上的分布特征,发现冲击坑中心处残余压应力值较大且均匀性较好,边缘处出现了较大的拉应力且应力梯度较大。通过进行无搭接的激光喷丸实验和X射线衍射应力测试实验,验证了有限元模型的有效性。试件表面形貌通过激光位移传感器进行了测量观察。     

激光冲压TA2圆板实验与仿真研究

采用实验的方法,研究了不同的激光能量和不同的冲击路径、冲击次数对TA2钛合金圆板变形的影响,取得了不同冲击条件下钛合金圆板的变形数据。所采用的激光波长1.06μm,脉宽约23ns,有效光斑直径8mm,脉冲的重复率2Hz,并用ABAQUS软件对激光冲压TA2圆板进行了仿真分析。结果表明,随着激光能量的增加,板料的变形量增大;冲击区域的不平度随着冲击路径和激光能量分布的优化而得到改善。仿真结果和实验数据基本吻合,在一定程度上揭示了激光冲击过程的成形机理,解释了激光能量、板料几何尺寸、冲击次数和冲击路径对最终成形的复杂影响。     

金属板料预应力成形技术研究进展

金属板料成形的主要特征为材料变形过程中的弹性变形比例大、型面定形性较差,并且传统成形工艺对装备的依赖程度高,为提高金属板料工件的成形精度,降低对工艺装备的依赖程度,研究和完善了金属板料成形技术方法和手段。金属板料预应力成形技术是将板料置于弹性变形状态,再施加热、冲击等外载荷,最终实现板料成形。研究结果表明,预应力成形可降低对工艺装备的依赖程度,相比于自由成形,板料的变形趋势可控;随着预应力加载载荷的增大,板料的变形量增大;预应力成形中施加的外载荷形式可采用激光载荷、蠕变时效、喷丸冲击载荷和激光喷丸冲击载荷等形式。     

斜激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

采用ANSYS/LS-DYNA软件对激光冲击强化过程进行有限元数值模拟,比较垂直冲击和斜冲击后LY12CZ航空铝合金板料的变形和残余应力场的分布。结果表明:斜激光冲击强化会在板材表层产生残余拉应力,并使压应力降低;通过垂直冲击和斜冲击配合使用,可以对激光冲击强化残余应力场进行优化。对激光冲击强化工艺参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和进一步的实验研究具有指导意义。     

冲击波动态传播特性对激光喷丸残余应力场的影响

以TC4钛合金为研究对象,基于Johnson-Cook本构模型,分析了高应变率效应对激光喷丸过程中塑性波波速的影响。通过三维有限元方法模拟了不同作用参数激光喷丸诱导冲击波的传播过程,探讨了多次激光喷丸作用后残余压应力饱和现象的产生机理及利用该效应获得均匀表面残余压应力的方法。结果表明:高应变率效应对激光喷丸作用过程中塑性波速度有显著影响,塑性波的速度与所产生的塑性应变呈反比关系。功率密度越大,初始产生的塑性应变越大,塑性波速度越小,冲击波能量衰减越快,冲击波压力幅值降低越快;相同激光喷丸功率密度,随着作用次数的增加,产生的塑性应变逐渐减小,塑性波速度增大,冲击波压力衰减变缓,使激光喷丸诱导的残余压应力逐渐增大;作用次数达到3~4次时,衰减过程基本相似,诱导的残余压应力增幅不大,作用效果基本达到饱和。利用多次激光喷丸作用产生的饱和效应,当激光光斑搭接率超过50%时,即可使搭接区域作用次数达到3次及以上,使激光喷丸作用效果达到饱和,可获得均匀的表面残余压应力。     

单曲率板材激光弯曲成形过程的有限元模拟

利用有限元软件MSC.Marc建立了单曲率板激光弯曲成形过程的热力耦合有限元模型。计算并分析了激光弯曲成形过程中板材内部的温度场、应力场和位移场。此外,还研究了扫描线的长度和单曲率板的初始形状对激光弯曲成形的影响。结果表明:随着扫描线长度的增加,板材的弯曲变形量增大;随着单曲率板曲率的增加,板材的弯曲变形量减小。实验结果验证了模型的可靠性。     

预应力激光冲击喷丸成形有限元模拟

运用ABAQUS软件对激光冲击喷丸成形过程进行了有限元仿真,建立了能够有效模拟成形过程并预测零件变形量的仿真模型,详细介绍了有限元模型的建立过程和冲击成形过程,vdload子程序的运用缩短了建模的时间并提高了有限元模型的适用度。通过仿真结果和实验结果的对比,验证了仿真结果的有效性。进一步分析了激光光斑重叠率、光斑直径和预应力大小对零件变形量的影响。结果表明:运用vdload子程序加载激光冲击力能够增加仿真精度,提升计算速度。零件变形量随着光斑重叠率和预应力的增大而增大,而减小光斑直径会增大激光的功率密度,从而使激光的冲击力增大,零件的变形量增大。     

基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法

目的 为克服激光冲击强化现有离线检测方法的缺点,提出了一种基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法。方法 利用波长为1064 nm、脉宽为14 ns、单脉冲能量为5~7 J的Nd:YAG激光器对经过振动时效处理的TC16钛合金试件进行激光冲击强化处理。用自主研制的信号放大器对空气中的冲击波信号进行一级放大后,再经前置放大器、数据采集卡传输到计算机控制系统,从而实现对空气中冲击波信号的采样、存储、滤波和数据分析,并从中提取冲击波信号能量。用X-350A型X射线应力测定仪测量TC16钛合金试件经激光冲击强化处理后的表面残余应力。最后对所得实验数据进行多项式拟合,以获得材料表面残余压应力与冲击波信号能量之间的经验公式。结果 经激光冲击强化处理后,材料表面形成了一定大小的残余压应力。随着激光能量的增加,材料表面残余压应力及冲击波信号能量均增加,且二者的增加趋势一致。结论 在激光冲击强化过程中,对空气中传播的冲击波信号进行采集和提取其信号能量,可以预测试件经激光冲击强化处理后的残余应力,能够准确判断激光冲击强化质量,从而实现工业过程的在线检测。     

激光冲击E690高强钢表面应变预测模型的建立

利用ABAQUS有限元软件对激光冲击波加载E690高强钢表面应变及应力变化过程进行仿真,分析了在不同冲击波压力下塑性形变与应力云图的关系,建立了激光冲击E690高强钢表面应变预测模型,并设计试验验证了该模型的准确性。结果表明,激光冲击下E690高强钢的动态响应遵循Hugoniot弹性极限公式,激光脉冲诱导的冲击波在E690高强钢表面引起的塑性形变与其表面的残余压应力成正相关,试验结果与仿真结果具有较好的一致性。     

温度辅助的激光冲击技术研究进展

温度辅助的激光冲击技术是在激光冲击技术上发展而来的结合热力耦合效应的高能率加工和表面处理技术。在介绍温度辅助的激光冲击技术原理和特点的基础上,分析了激光冲击波的压力模型及时空分布特性、温热及高应变率下材料的本构模型,重点介绍了利用温度辅助的激光冲击效应的两项技术——温度辅助激光微成形和激光温喷丸强化。温度辅助激光微成形技术作为一种新颖的高能率微细加工技术,其在温热条件下利用脉冲激光诱导的冲击波压力使金属箔板塑性成形微结构件,可使激光冲击微拉深件的塑性变形均匀性得到显著改善,成形高度较室温下得到进一步提升。激光温喷丸强化技术作为新形材料表面处理工艺,结合了热力耦合效应在应力强化和组织强化方面的诸多优势,能够获得比常温激光冲击强化技术更稳定的残余压应力分布,有效提高材料的耐热腐蚀性和疲劳性能。综述了温度辅助激光微成形和激光温喷丸强化技术的研究现状,指出了当前在温度辅助的激光冲击技术研究中存在的问题,并对今后的研究做了展望。     

激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

目的 探究激光冲击强化技术对2024铝合金叶片振动性能的影响,并探寻最理想的冲击参数.方法 运用Johnson-Cook动态塑性本构模型模拟激光冲击选区强化过程,对强化后的2024航空铝合金叶片的振动特性进行分析.将2024铝合金在激光冲击强化过程中产生的残余应力场和梯度密度分布导入模型,量化激光冲击强化对2024铝合...     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

航空弓形结构框喷丸强化变形计算及工艺规范建立

目的研究航空弓形结构框喷丸强化变形的力学理论、有限元模拟的预测方法,建立喷丸强化工艺规范,为国内航空工业中的喷丸工艺提供一定指导。方法首先利用有限元软件ABAQUS进行若干组不同喷丸速度的随机弹丸撞击模拟,创建与喷丸平均速度相关的喷丸诱导应力数据库,在此基础上,进行弓形结构框喷丸强化变形的理论预测和有限元仿真。在ABAQUS环境下开发一个快速模拟不同喷丸参数下弓形结构框喷丸强化变形的插件,实现各种不同类型的弓形结构框的自动前处理以及理论解和仿真解的给出。在以上研究的基础上,发展一套快速确定各类弓形结构框喷丸强化参数的工艺规范。结果针对某型号弓形结构框,在相同的喷丸参数下,理论计算的最大变形量为1.25 mm,有限元计算的最大变形量为1.13 mm,实验结果为1.8mm。结合计算预测和工艺规范,确定了喷丸矫形区域及参数,最终弓形结构框的变形为0.15 mm,满足精度要求,验证了计算预测与规范的有效性。结论分析认为,建立的理论预测方法和有限元方法可以快速准确地预测弓形结构框喷丸强化变形结果。本研究对于国内航空工业中弓形结构框喷丸强化变形的快速仿真以及理论预测具有较大的工程价值。     

激光诱导冲击波应用技术研究现状

激光等离子体冲击波应用技术以其节能、高效、可控性强等优点,受到了众多研究者的广泛关注。综述了激光等离子体冲击波作用效应,分析了靶表面等离子体和激光维持的爆轰波对靶冲量传递的影响,重点介绍了利用激光等离子体冲击波效应的两项技术——激光冲击强化技术和激光推进技术。通过对比国内外技术的优势,系统考察了激光冲击强化技术和激光推进技术的原理和应用研究现状,并分析了未来应用研究的趋势。移动式短脉冲大能量激光器的研制将是未来的一个重要研究方向,需从理论和试验两个方面研究激光参数、环境参数和靶材参量对激光与靶相互作用产生的激光等离子体冲击波效应和声波效应的影响,探索激光等离子体声波和激光等离子体冲击波力学效应的关系。大能量激光器的体积大,环境要求高,稳定性差,要想真正把激光等离子体冲击波效应应用于实际,就需要开发稳定性好的短脉冲、大能量移动式激光器,提高激光等离子体冲击波效应应用系统的机动性、方便性和可靠性。     

激光冲击SiCp/Cu复合材料的有限元模拟

为了探究激光冲击强化对SiCp/Cu复合材料力学性能的影响,采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对复合材料单胞模型进行冲击加载,模拟结果显示:在基体金属上存在着广泛的压应力,并且在载荷作用过程中导致了基体的屈服强化,大大提高了基体的强度;在基体与颗粒增强体之间的界面上存在着一定的等效应力值。采用WDW-200微机控制式电子万能试验机对激光冲击强化前后的试样进行拉伸性能对比试验:发现冲击后试样的抗拉强度较未冲击试样的提高了18MPa,且断口呈现韧窝形貌,为微孔聚集形韧性断裂。结果表明:激光冲击强化提高了SiCp/Cu复合材料的力学性能。