金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

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.     

考虑结合面的不锈钢-碳钢层合板脉冲激光弯曲数值模拟

采用热-结构间接耦合方法,建立了含结合面的不锈钢-碳钢层合板(SCLS)脉冲激光弯曲多层有限元模型(FEM),通过分析脉冲激光扫描过程中不锈钢层、碳钢层及其结合面的温度场、应力应变场的分布情况,探讨了结合面对层合板激光弯曲角度和质量的影响。研究结果表明,整个激光弯曲过程中结合面处温度平滑传递,横向应力和应变均存在明显突变,变形结束后,上下覆层呈现横向残余拉应力,中间基层呈现横向残余压应力;当激光功率为140 W、扫描速度为800mm/min、离焦量为10mm时,结合面最大Z向应力为87.5 MPa,小于层合板界面结合强度(≥210 MPa)。通过脉冲激光扫描实验和模拟,实现了层合板的有效弯曲,实验结果与模拟结果误差小于5%,为层合材料激光弯曲成形提供了理论与实验依据。     

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。     

不锈钢-碳钢层合板激光弯曲试验研究

层状金属复合板以优良的材料和结构性能在舰船、汽车和飞行器等装备中显示了广阔的应用前景。为研究工艺因数对层状金属复合板激光弯曲成形的影响,以不锈钢-碳钢层合板为研究对象,对这种层状金属复合板的激光弯曲角度和规律进行了系统的试验研究。结果表明,不锈钢-碳钢层合板和不锈钢板激光弯曲存在共性,弯曲角度随着激光功率增加而增大,随着扫描速度增加而减小,随着扫描次数增加而增大,随着板厚增大而减小。同时二者也存在差异;随着不锈钢-碳钢层合板宽度的增加,弯曲角度先减小后增大;在相同工艺条件下,不锈钢-碳钢层合板弯曲角度大于不锈钢板的弯曲角度,并在一次固定安装下获得85.6°这一接近直角的极限弯曲角度。     

矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形分析

激光圆弧扫描弯曲可实现圆弧槽形舱壁件无模具成形,研究其曲面变形规律以及其曲面变形特征具有重要的工程应用意义。首先,详细分析了扫描次数n、圆弧扫描半径R、板材宽度W以及扫描基准线至自由端长度L对矩形金属层合板曲面变形的影响。同时,结合各参数对曲面变形作用效果及曲面变形量试验测量数据,求得各参数下曲面变形量经验函数,并对其变化规律及趋势进行分析。最后,利用激光圆弧扫描弯曲策略进行了圆弧槽形舱壁件样件试制,其中单段圆弧槽两侧壁曲率半径均值分别为84.51、86.77 mm。文中方法为矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形规律分析及成形圆弧槽形样件提供了试验依据。     

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。     

扫描方式对激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件开裂的影响

为了消除激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件中的裂纹,研究了激光扫描方式对薄壁件(单道多层)熔覆层应力分布和开裂的影响。对比了两种扫描方式(单向扫描和往复扫描)对薄壁件的应力分布和开裂的影响。模拟和实验结果表明,单向扫描方式下薄壁件的应力分布不均匀,引起薄壁件的两端出现严重的翘曲且中间部分出现裂纹;往复扫描方式下薄壁件的应力分布相当均匀,没有出现翘曲和裂纹,熔覆层表面比较平整。     

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。     

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。     

激光热成形工艺中加热位置对板材变形的影响

在复杂型面激光热成形工艺规划中,激光需要在板材的不同位置进行加热,加工出所需要的目标形状,而加热位置不同板材的变形不同。为了实现板材不同加热位置加工工艺参数的选择,分别探讨了温度梯度机制和屈曲机制条件下加热位置对板材变形的影响规律。研究结果表明,在温度梯度机制条件下,当加热位置远离自由端时,加热位置对弯曲角的影响不大,当加热位置距自由端较近时,加热位置对弯曲角有较大影响;在屈曲机制条件下,加热位置不仅影响板材的弯曲角,而且影响板材的弯曲方向。因此,在复杂曲面工艺规划中为了更准确地确定加工工艺参数,建立工艺参数与板材弯曲变形基本关系数据库,必须考虑激光加热位置对变形的影响。     

正方形薄板激光弯曲三维成形球冠面的技术分析

激光弯曲成形是利用激光束的能量修整板材曲率的一种新型柔性无模成形加工方法。为探索激光弯曲三维成形的机制以及成形过程中的物理现象,对1Cr18Ni9Ti正方形薄板采用交叉线扫描策略激光弯曲三维成形制备了球冠面,利用显式动态有限元方法分析了正方形薄板在激光扫描过程中的温度、应力、应变、节点加速度与速度以及形变的变化情况,在二维激光成形温度梯度机制基础上探讨了激光弯曲三维成形中存在的物理现象。在扫描过程中,薄板整体的温度随着激光扫描逐渐增加,在任意时刻任意位置的加热都会造成整体薄板应力作用方向和大小的改变,应力变化是形成圆周线的趋势,由于扫描路径时空的变化导致正方形薄板四角的变形量有所不同。     

激光辐照层合板的数值模拟与试验对比

对激光辐照复合材料层合板的应力应变进行模拟分析,获得了应力应变场分布及其变化规律。数值模拟首先获得试件各点随激光辐照时间变化的温度场,然后将温度场导入并分析了试件的热应力和热应变。结果显示：沿纤维方向应力由中心的最大拉应力过渡到距光斑边缘约5 mm处的最大压应力后逐渐减小;垂直纤维方向应力在光斑内及其附近均是压应力;Mises应力在光斑中心处最大并随各位置到中心距离的增大而减小。热冲击使各点应力在辐照初期产生波动,光强越大,波动的时间点越早。为了验证数值分析模型,在激光辐照的复合材料层合板正面光斑周围粘贴应变片,用动态应变仪测试多点的应变并与数值结果进行对比,数值模拟应变与实测应变吻合较好,最大相对误差为18.4%。     

金属板料激光喷丸成形理论研究与数值模拟

在对激光喷丸成形(LPF)机制分析的基础上,采用ABAQUS软件对激光喷丸成形过程进行了有限元数值模拟,分析了激光喷丸后板料的变形和残余应力场的分布情况。结果表明激光喷丸在板料表层的塑性变形层中诱导出压应力,在塑性变形层以下部位出现拉应力,这种应力分布形式打破了板料内部原有力系的平衡,促使板料发生弯曲变形,从而使板料内部应力重新分布以达到新的平衡,最终在板料厚度方向形成上下两面为压应力,而中部为拉应力的新的残余应力场。研究结果对理解激光喷丸成形过程及其本质,进行激光喷丸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。     

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。     

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。     

管材激光弯曲成形有限元工艺仿真及其机理研究

管材激光弯曲成形是一种柔性金属塑性成形方法,将连续的激光光斑简化为一间歇跳跃的方形面热源,并且考虑材料性能参数与温度的相关性,建立了管材激光弯曲成形的热-机耦合有限元工艺仿真模型。有限元仿真结果表明:同板料的激光弯曲成形一样,对应于加热和冷却阶段,管材的激光弯曲成形也分别经历反向弯曲和正向弯曲两个变形阶段,管材激光弯曲成形的内在机理是典型的温度梯度机理。     

激光扫描光斑温度场

为能较准确描述激光扫描光斑温度分布和温度场特性,分析了扫描光斑的形成过程,应用温度场的叠加原理,导出了激光扫描转镜扫描光斑温度场的数学模型,用计算机模拟了不同参数下的温度曲线,讨论了参数对扫描宽带温度分布的影响。结果显示,扫描光斑温度场有明显的类趋肤效应。扫描光斑温度场的这一特征给出了激光扫描转镜能在较低功率下实现金属材料激光宽带表面强化的理论依据。所述方法也适用于其他形式的扫描叠加温度场。