三维平顶光束激光冲击2024铝合金的残余应力场数值模拟

采用有限元方法对三维平顶光束激光冲击2024铝合金进行数值模拟,模拟结果与文献中的实验结果吻合。研究了不同工艺参数对材料残余应力场分布的影响。结果表明,随着光斑尺寸的增大,材料的残余应力增大,而表面残余应力的变化梯度减小;随着冲击次数的增加,残余应力增大并趋于饱和;当搭接率为10%时,表面残余应力的变化梯度较小;随着搭接率的增加,深度方向残余应力增加但增幅较小。     

激光参数对圆杆件残余应力场影响的数值模拟

利用三维有限元技术模拟预测激光单次冲击圆杆件诱导的残余应力场,并与实验结果比较,残余应力场的预测值与实验测量值一致性较好。探讨了激光功率密度、冲击角度以及冲击次数等激光参数对残余应力场的影响。结果表明,在激光冲击圆杆件过程中,激光功率密度越大,光斑中心区域的残余压应力越小,残余应力状态最终由残余压应力变为残余拉应力;光斑中心区域的残余压应力随冲击角度的增大而增大;冲击次数在一定阈值范围内时,光斑中心的残余压应力增幅显著,之后逐渐趋于饱和。塑性强化层深度随激光功率密度和冲击次数的增加而增大,激光冲击角度对塑性强化层深度几乎没有影响。     

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。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

激光功率密度对小孔构件残余应力场的影响

激光冲击强化通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力,从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展,是一种新型的金属表面强化技术。以ABAQUS有限元软件为平台,研究了不同激光功率密度下7050-T7451铝合金小孔构件的残余应力的分布。结果表明,冲击表面残余压应力在X轴方向上0～6 mm区域内分布很均匀,能量的变化对它的影响不是很大,表面最大残余压应力都出现在孔边缘处,整个冲击区域残余应力差别不大,构件单面冲击下表面只有残余压应力,然而并不是随着峰值压力的增加为增加,这是由于未冲击表面的残余压应力是由板料变形引起的。构件厚度方向残余压应力的深度随着冲击波的峰值压力的增大而增大,同时也造成板料厚度中心靠近上表面处产生过大的残余拉应力,这对提高材料的抗疲劳性能是极为不利的。     

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。     

逐层剥离对激光诱导残余应力场影响的数值模拟

为评价激光冲击强化效果,通常采用X射线衍射法(XRD)测定工件的残余应力分布。由于X射线穿透深度一般在微米数量级,为获得工件深度方向上的残余应力分布规律,常采用电解抛光的方法逐层剥离工件表面材料。逐层剥离过程改变了工件表面的边界条件,使得残余应力分布发生了改变,导致XRD实验测得的残余应力与未剥离前不同。本文采用有限元数值模拟方法研究了剥离过程对激光诱导残余应力场分布的影响。结果表明:在残余压应力区域,剥离材料后内部的残余压应力较剥离前增大,残余压应力增加程度随着剥离深度的增大而增加;剥离表面较浅一层材料时,整体残余应力场的分布变化较小,且有利于消除激光冲击强化产生的"残余应力洞"。该研究对基于XRD实验测定的残余应力修正具有一定的指导意义。     

激光喷丸范围对小孔构件残余应力场的影响

为了研究不同激光喷丸范围下7050-T7451铝合金小孔构件残余应力场的变化规律,采用ABAQUS有限元分析软件对激光喷丸过程进行理论分析和数值仿真,分析了材料激光喷丸后表面及孔壁的残余应力分布。结果表明,随着喷丸范围的增大,表面残余压应力范围增大,冲击区域外围的残余拉应力由52MPa变为344MPa;孔壁的应力分布随喷丸范围的增加而变差,中间最差应力由压应力38MPa变为拉应力49MPa;在一定的喷丸范围内,激光喷丸范围的增加使表面压应力范围变大而使孔壁应力分布变差。对于激光喷丸强化小孔构件,应控制喷丸范围,兼顾板料表面及小孔孔壁的残余应力分布,以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

激光冲击AM50镁合金残余应力场的有限元分析

为了研究镁合金在激光冲击载荷作用下残余应力场的特征,采用实验测试和有限元分析的方法对激光冲击区的残余应力进行了研究.试验中使用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,当激光功率密度为3GW/cm2时,表面的残余压应力值高达-146MPa,残余压应力层深约0.8mm;用有限元分析软件ABAQUS对残余应力场进行数值计算,得到激光功率密度大于0.49GW/cm2时,将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力值增加并趋于饱和;激光功率密度在1.95GW/cm2～3.06GW/cm2之间时,残余压应力值达到饱和.结果表明,实验测试数据与数值计算结果一致性较好,该结果可为激光冲击参量的优化提供理论依据.     

激光冲击圆杆曲面诱导的残余应力数值模拟

采用有限元分析方法对激光冲击2024铝合金圆杆圆周曲面诱导的动态应力波及其残余应力进行了数值模拟。首先,在ABAQUS/Explicit显式分析模块中模拟了峰值压力为2 GPa激光冲击波在16 mm杆中诱导的应力波的传播过程。随后,在ABAQUS/Standard隐式分析模块中进一步计算在圆杆曲面上诱导的残余应力。在此基础上,分析了圆杆直径的大小对应力波峰值衰减和残余应力分布的影响,并进行了相关的试验验证。研究结果表明,峰值压力为2 GPa冲击波在16 mm的杆中诱导的弹塑性的应力波,应力波的峰值压力在400 ns时间内迅速衰减至250 MPa。冲击后,在距光斑中心小于0.5 mm冲击区域内分布不均匀残余应力,在光斑中心处形成了残余拉应力,轴向S11值为42 MPa;在半径为0.5~1.5 mm的冲击区域分布着残余压应力,S11值大约在250 MPa。应力波在传播过程中,其压力峰值衰减的速率随着杆径的增大而减慢,表面形成的残余压应力均随杆径的增大而增加。     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

有限元分析(FEM)是预测激光冲击强化处理(LSP)后材料的残余应力场、合理优化冲击参数非常有效的方法。通过对材料冲击响应过程的分析,建立了激光冲击强化处理的有限元分析模型,实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式分析得到的材料内部各种能量变化过程,结合应力波理论,验证显式分析过程的正确性,提出显式分析求解时间的选择方法;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与实验结果非常接近。数值分析结果表明,表面残余应力在冲击区域内分布比较均匀,表层的残余应力梯度较小;多次重复冲击后,材料的残余压应力明显增加,残余压应力影响深度也显著加深;随着冲击次数的增加,材料的残余应力场趋于饱和。     

激光冲击诱导残余应力预测方法研究

研究基于激光冲击诱导残余应力产生原理,把激光冲击诱导的最终稳定的残余应力看成激光冲击引起的残余应力与为满足平衡而产生的残余应力的代数和,提出了残余应力预测方法.通过激光冲击平板件的残余应力预测发现,模拟结果与实验结果十分接近.说明此方法可实现对工件全尺寸的残余应力预测,为后续的分析提供了条件.另外,对激光冲击处理圆角试样产生的残余应力进行了模拟研究,发现工件的形状对最终稳定的残余应力的分布存在影响,表现为表面应力值和残余压应力的深度发生了变化.说明此方法可能实现激光冲击处理任意形状工件的残余应力预测.     

基于ABAQUS的激光冲击波诱导残余应力场的有限元模拟

激光冲击处理(LSP)(或激光喷丸强化)是利用激光冲击波压力对材料表面实施强化处理的一种新型表面处理技术。经激光冲击后，残余压应力在材料表面和深度方向上的分布和大小是评价激光冲击效果的一个重要指标，而有限元模拟(FEM)是预测激光冲击处理后残余应力场分布和大小的一种有效方法。在利用ABAQUS软件对激光冲击处理6061-T6铝合金进行数值分析时，讨论了有限元模型、材料性能、冲击加载方式、分析时间等关键问题的处理方法，并分析了激光冲击后残余应力场的分布特点，最后利用有限元模拟考察了激光冲击次数对残余应力场的影响。     

TC17 钛合金激光多次冲击强化后组织和力学性能研究

对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究,将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击,分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明:TC17钛合金在不同次数激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,晶粒细化明显,3 次激光冲击后有纳米晶形成;残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大,且沿深度方向的变化规律基本相同;与未冲击试样相比,5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%,沿深度方向300 m范围内影响明显,表面残余应力达到-644.3MPa,残余压应力影响层深度增加至1.9mm。     

激光喷丸强化6061-T6铝合金板料的表面完整性研究

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了6061-T6航空铝合金板料经激光喷丸强化后表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面显微组织结构等表面完整性的变化.结果表明激光喷丸后,试样表面喷丸区域的粗糙度降低;激光喷丸过程中冲击波诱导表面显微组织发生变化,位错密度增加,从而使得硬度增加,表面抗塑性变形能力得到提高;受喷板料正反两面均呈现残余压应力分布,最大残余应力值位于喷丸区域表面,厚度方向残余压应力随深度增加而逐渐减小.数值模拟得到的表面微凹坑截面轮廓及残余应力分布与实验结果相一致,表明可以用数值模拟方法对表面完整性进行预测,为激光喷丸过程参数优化和表面质量有效控制提供依据.     

激光喷丸成形中的残余应力

通过对激光喷丸成形(LPF)中残余应力场分布的研究,找出单点喷丸残余应力分布形式,以及单点多次、多点不同路径喷丸中后续冲击对前次冲击残余应力分布的影响规律。对准确控制残余应力分布,获得激光喷丸后所需的板料形状具有指导意义。利用钕玻璃高功率脉冲激光对厚度为1.2 mm的LY12CZ硬铝合金进行了单点激光喷丸,用X衍射应力测定仪考察了单点冲击后材料表面及深度方向的残余应力,用厚度为2 mm 的6061-T6铝合金板料进行三列窄条激光喷丸变形实验。以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台,建立了具有一定精度的激光喷丸过程中冲击波压力的加载模型,对板料的变形过程进行了数值模拟, 分别考察了不同激光能量,板料尺寸,冲击路径等工艺参数对残余应力场分布的影响。实验结合数值模拟探索激光喷丸的主要参数和残余应力场之间的相互关系。     

激光冲击对不锈钢焊接结构影响的数值分析

为了探究激光冲击对不锈钢焊接接头残余应力分布的影响,对不锈钢焊接过程和激光冲击焊缝过程进行了数值分析。结果显示,焊后焊接结构的残余应力分布很不均匀,焊缝表面表现出较大的残余拉应力,横向和纵向残余应力相差较大。经激光冲击处理后,焊接区域的残余应力都有明显的改善,表面残余应力由拉应力转变成压应力,且应力值随着激光功率密度和冲击次数的增加而增大,横向应力和纵向应力分布也趋于均匀;选用合适的搭接率可以产生均匀的残余压应力。分析结果为激光冲击改善焊接结构性能提供参考依据。     

镍-钴合金杆料激光冲击强化的实验和数值模拟

为了开发能有效提高火花塞使用寿命的新工艺,借助于激光冲击强化装置,实验研究了对材料为Ni-Co合金的火花塞中心电极表面的激光冲击强化处理;探讨了不同的冲击次数、不同的入射激光能量对冲击强化区残余应力、塑性变形、硬度的影响;并用ABAQUS软件进行了有限元模拟。实验测量与仿真结果均表明,利用激光冲击强化技术,冲击区域材料的位错密度得到了进一步提高;并在强化区表面产生了渴望的残余压应力;火花塞中心电极的表面硬度也得到了显著提高。经过随车使用实验,证明经过激光冲击强化后的火花塞其平均使用寿命比未受强化的火花塞提高了近1倍,表明激光冲击强化技术不失为提高火花塞使用寿命的一种好的工艺方法。     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

LY12CZ铝合金激光喷丸变形

板料激光喷丸成形是通过强激光冲击金属板料所诱导的非均匀残余应力使板料产生塑性变形。报道了用波长为1.064μm,脉宽为23 ns的强激光对外形尺寸为75 mm×20 mm×1.2 mm的航空铝合金LY12CZ进行了喷丸冲击变形实验。实验结果表明,沿着试样的中心线进行喷丸,试样变形的弧弓高随着喷丸次数的增加而增加,经过多次冲击后,尽管冲击次数增加,试样的变形量增加不明显。在实验的基础上,建立了有限元分析模型,用三维体单元对板料激光弯曲成形过程进行了数值模拟,所得结果和实验结果较一致。