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.     

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.     

微尺度激光弯曲成形数值模拟与实验研究

建立了厚度为0.1mm的不锈钢钢箔激光弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,并采用有限元软件MSC.Marc模拟计算得到了箔材弯曲变形过程中的温度场、变形场与应力应变场。分析了应力、温度、变形三者之间的内在关系,阐述了激光弯曲成形的温度梯度机制(TGM)。建立了微尺度激光弯曲成形的实验装置,验证了有限元模型(FEM)的可靠性,模拟计算结果与实验结果吻合较好。通过实验分析了激光功率、扫描速度以及激光扫描次数等工艺参数对激光弯曲角度的影响规律,并对影响原因进行了初步分析,为进一步对微尺度激光弯曲成形机制及工艺的研究打下了基础。     

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。     

激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲技术是最近十几年迅速发展起来的新型成形技术.它的基本原理可以归纳为:高能激光束扫描工件产生温度梯度极大的不均匀温度场,由此诱发的局部热应力超过了随温度变化的屈服应力,导致压缩塑性变形使得板料弯曲变形.通过调整激光工艺参数和扫描轨迹可以精确控制板料成形.数值模拟方法是目前解决问题的最佳手段.本文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,并从激光热源模型、移动热源的模拟、边界条件的处理以及材料物性参数的处理等方面叙述了激光弯曲成形数值模拟的研究进展.文章最后对这一领域今后的发展提出了自己的看法.主要是建立真三维复杂曲面成形的数学物理模型,以及如何将多道扫描和曲线扫描数学化.(OE32)     

板料激光弯曲成形数值模拟

采用准静态非耦合模型 ,对激光束扫描板料表面时形成的三维瞬态温度场进行了有限元模拟 ,并将温度载荷转化为节点力 ,进一步完成了三维热弹塑性形变场的模拟。通过对温度、位移、应力分布的动态演示 ,定量地分析了板料激光弯曲的变形机理     

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。     

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.     

激光弯曲成形机理与翘曲抑制研究

针对TA15钛合金材料,建立激光弯曲成形的三维热力耦合有限元仿真模型,得到不同加工参数下的材料温度场及变形场。通过搭建弯曲试验和测试系统,获得了部分加工参数下钛合金板的温度场和变形数据,并与仿真数据进行对比,验证了数值模型的有效性。基于板材厚度方向温度和塑性应变的分布,明确了在激光弯曲成形中的主导机制。研究了激光弯曲成形中的翘曲变形现象,提出可用于抑制翘曲变形的来回扫描加工方法。     

铜箔激光冲击微成形微观组织与残余应力研究

为了研究激光成形方式对成形轮廓和微观组织的影响,采用厚度为40μm和80μm的T2铜箔进行激光冲击微胀形和微拉深实验。同时使用ABAQUS有限元仿真对实验进行模拟,研究不同变形方式下箔材位移和残余应力场。结果表明,激光冲击微胀形后铜箔变形区域出现颈缩,激光作用区域内变形机制主要为位错滑移、变形扭曲晶粒和机械孪晶;箔材上表面（激光冲击表面）为残余拉应力,最大值约为372.3MPa,箔材下表面（背向激光冲击面）为残余压应力,最大值约为-218.7MPa;而对于微拉深,箔材成形轮廓过渡圆滑,厚度分布均匀,光斑作用区域内出现大量位错露头和一些机械孪晶,箔材上表面为残余压应力,最大值约为-365.6MPa,箔材下表面为残余拉应力,最大值约为203MPa。这一结果对激光冲击箔材成形控制是有帮助的。     

激光喷丸强化铝合金疲劳特性的数字化分析

激光喷丸强化(LSP)是一种基于冲击波力效应的非传统抗疲劳制造技术,目前关于激光喷丸强化的研究大多集中在机制和实验上.由于激光冲击过程是一个复杂的热力耦合过程.涉及的因素较多,实验方法难于全面理解各种参数对激光喷丸效果的关联影响.介绍了典型的激光喷丸强化过程的数字化分析方法,以有限元分析工具ABAQUS和MSC.Fatigue为平台,通过编制激光冲击波加载模块,解决了数据流传递中的接口问题.以2024-T3航空铝合金试样为例,对激光喷丸强化过程中激光冲击波的传播、残余应力大小以及疲劳特性行为等进行了数值分析,并对激光喷丸强化的疲劳寿命进行了预测,建立起了激光冲击波压力一残余应力一疲劳寿命之间的数字化分析方法,实现了激光喷丸过程和喷丸效果评价的可视化.     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

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.     

脉冲激光弯曲成形技术中硅片表面的形貌分析

对长脉宽脉冲激光弯曲后的硅片试件进行了表面形貌以及晶相等特性分析.结果表明,激光作用于硅片表面后形成了三种特殊区域,分别为边缘区域、过渡区域、主作用区域.其中过渡区域和主作用区域变化比较明显,分别出现了堆积层错现象和波纹状形貌.对主作用区域进行拉曼光谱检测,分析谱图没有发现典型的非晶硅转变,只是存在微弱的Si-Ⅰ→Si-Ⅲ转化.利用X射线定向仪检测原始和激光作用后表面的晶向,发现激光作用区域晶向变化较明显,存在晶体畸变和晶粒细化现象.     

平顶光束激光冲击2024铝合金诱导残余应力场的模拟与实验

对平顶光束激光冲击2024铝合金诱导的残余应力情况进行了有限元模拟与实验研究。改进了平顶光束诱导冲击波的压力分布模型,并将该模型用于残余应力场的有限元模拟。在实验室环境下获得了适合用于激光冲击的高质量平顶光束,并使用该光束进行激光冲击2024铝合金的实验,实验结果和模拟结果基本一致。研究发现平顶光束冲击2024铝合金有如下特点:存在一个阈值,当激光冲击波压力小于该阈值时,影响区内残余应力场近似均匀分布;当冲击波压力大于该阈值时会引起"残余应力洞",但该"残余应力洞"内部近似均匀分布。在深度方向上,塑性影响深度和最大残余应力深度随激光冲击波压力的增加而增加。     

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.     

单层和双层材料中的脉冲激光超声数值模拟

用有限元方法数值模拟激光热弹机制激发单层和双层材料中的超声波。分别建立激光在单层和双层材料中激发瞬态温度场和热弹机制激发超声波场的有限元模型，该模型考虑了激光作用过程中材料的热物理参数依赖于温度的特性。在单层铝板的厚度小于激光激发的超声波的中心波长时，数值模拟得到了兰姆波，主要是低频的非色散的对称模和色散的反对称模。随着铝板厚度的增加，更高阶的模式可以在板中传播，波形向表面波转化，得到了掠面纵波和瑞利波。进一步计算了Ni／Al和Al／Cu这两种双层材料中的不同接收距离处的垂直表面位移。由于表面波中的高频成分透入深度浅，在传播过程中受薄膜(涂层)的影响较大，而低频成分在传播过程中受基底的影响较大，因此在Ni／Al系统中得到了正常色散而在Al／Cu系统中得到了反常色散现象。     

脉冲激光辐照CCD探测器的硬破坏效应数值模拟研究

具有一定能量强度的激光辐照CCD图像探测器时可造成探测器的干扰和破坏.基于热传导和热弹性力学的基本关系式建立了脉冲激光辐照CCD多层结构的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,计算得到不同能量密度下脉冲激光辐照CCD的瞬态温度场和热应力场,分析了CCD最易损伤的位置及激光参数对探测器损伤的影响,并结合CCD的像元构造和工作方式阐明了CCD各层结构的损伤对CCD成像质量的影响程度及影响机理.     

预约束应力作用下的激光弯曲成形仿真工艺研究

提出了一种预约束应力作用下的激光弯曲成形新工艺 ,研究了不同的加载模型 ,通过施加预载荷 ,使板料加热区材料产生期望的预应力分布。针对激光弯曲成形的特点 ,建立了三维热力耦合模型 ,采用有限元方法实现了预约束应力作用下的激光弯曲成形工艺过程仿真。分析了在预载荷作用下 ,板料的激光弯曲成形机理。研究表明 ,该工艺不仅可大大提高板料的弯曲成形效果 ,而且只要合理控制预载荷的方向和大小 ,即可控制激光弯曲成形的变形方向。板料弯曲角度随预载荷的增加而显著增大 ,两者呈指数关系