激光喷丸诱导的残余应力的有限元分析

激光喷丸成形是一项新技术,是利用强激光辐照材料表面产生的高压冲击波对材料内部诱导的残余应力来成形金属板料的,控制残余应力场的分布是精确成形板料的关键。有限元模拟技术是预测激光诱导的残余应力场的有效方法之一。该文建立激光诱导残余应力模拟的模型,讨论了模拟过程中关键问题的技术处理,如加载历史、本构关系、网格划分、求解时间等。数值模拟的过程主要包括动态分析和静态分析两个步骤,模拟结果表明,残余压应力的大小和残余压应力层的深度随激光的功率密度的增加而增加,最后趋于饱和。模拟结果和试验结果较为一致。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

热-机械载荷下表面喷丸2A12铝合金残余应力松弛特性

对2A12铝合金试样引入表面喷丸强化工艺,并进行热-机械载荷下的应力松弛试验,讨论喷丸残余应力场的演化特性。结果表明,喷丸强化可在试件表层引入合理的残余应力场,但在外部热-机械载荷下极易发生应力松弛。在短时、低周大应力加载条件下,循环应力将引起表面残余应力值与应力峰值大幅松弛;而在中、长时热-机械载荷下,热载荷成为恶化残余应力场的主要因素,各向同性材料沿各个方向发生趋势与程度一致的热应力松弛现象,机械载荷仅主要在其作用方向上加剧应力松弛。另外,纵、横向残余应力场演化趋势相同、程度不一,受热载荷或机械应力载荷的影响机制不同。     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

喷丸强化残余应力对AISI304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律.方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法.首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程.基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核.其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100％和200％喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证.最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为.结果 对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著.对于相同的外加载荷工况,200％喷丸覆盖率工况比100％喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率.结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展.     

在Ti-6Al-4V翼面上形成残余压应力的模拟试验

在表面层形成残余压应力可提高交变载荷下承载件的疲劳寿命。例如 ,高速旋转的涡轮叶片 ,通常采用喷丸的方法使其表面产生残余压应力。但这种方法产生的压应力层较浅 ,在外来载荷作用下容易消失 ,甚至变成残余拉应力。而采用激光脉动冲击波(LSP)处理承载件表面时 ,瞬间产生的压应力超过材料动态屈服应力 ,使被冲击区产生形变 ,其应变速率高达 10 6 /s。冲击波消失后 ,被冲击区遗留下压缩应力。美国空军研究实验室对激光冲击喷丸方法形成的残余压应力作了模拟试验。研究所用Ti 6Al 4V锻棒 ,经 93 8℃预热后 ,反复锻成 40 6 4mm长的板 ,经…     

AISI-304奥氏体不锈钢喷丸残余应力的有限元模拟

目的针对喷丸有限元模拟中多数模型的弹丸数量较少,不能准确反映喷丸过程中弹丸位置的随机性及喷丸覆盖率对残余应力场影响的问题,对喷丸过程的有限元模拟技术进行优化。方法基于大型有限元分析软件ABAQUS,使用python编程语言对弹丸在三维空间中的分布进行随机化处理,建立了随机多弹丸喷丸AISI-304奥氏体不锈钢的有限元模型。在喷丸覆盖率大于100%的条件下,模拟分析了喷丸工艺中弹丸的数量、尺寸和弹丸的速度对残余应力场的影响,结合试验对有限元模型的合理性进行了验证。结果增加弹丸数量可提高残余压应力层的厚度和残余压应力的最大值,当弹丸数量为90颗时,残余压应力场接近饱和;增加弹丸速度,靶材残余压应力的峰值、表面应力值及残余压应力场的深度值增大,残余压应力峰值出现的位置基本不变;增大弹丸的直径,靶材残余压应力峰值、峰值的位置、表面应力值及残余压应力场的深度值均明显增大。结论喷丸残余应力的试验测量结果和有限元模拟结果吻合,模型合理。     

[例45] 喷丸强化技术在关键零部件中的应用

正表面喷丸强化是提高机械零部件疲劳寿命和应力腐蚀抗力的关键制造工艺,具有强化效果明显、操作简便及成本低廉等优点。喷丸过程中高速弹丸流反复击打材料表面,导致其表层发生明显塑性形变,进而引入残余压应力场、产生细化组织结构及诱发残余奥氏体向马氏体转变。实用的喷丸工艺包括:强化喷丸、精整喷丸、抛光喷丸、预应力喷丸、温度喷丸及复合喷丸。利用有限元计算方法,可数值模拟零部件喷丸残余压应力及其分布,预测出合适的喷丸工艺参数。通过喷丸工艺、喷丸设备和弹丸之间的黄     

循环载荷对USSP处理TC4表层残余应力场影响研究

采用超声喷丸技术(USSP)处理TC4试样,再进行四点弯曲疲劳加载。采用X射线应力仪测试疲劳加载前后残余应力分布;利用TEM设备,对疲劳加载前后TC4组织结构进行表征。结果表明,经表面纳米化处理后,TC4合金的最大残余应力已超过自身的屈服强度;当外加载荷高于疲劳极限时,残余应力场明显减弱;当外加载荷接近或小于疲劳极限时,循环周次与载荷的增减不再明显改变残余应力场;位错及位错胞在疲劳过程中发生了组态和数量的变化,位错密度的降低导致了残余压应力的松弛。     

高温喷丸强化Ti6Al4V合金的热力耦合数值模拟

发展一种连接喷丸强化与高温加载传热的热力耦合有限元方法,模拟高温喷丸强化Ti6Al4V合金的过程。首先建立一圆盘模型模拟待喷材料的高温加载传热过程。然后将圆盘模型的受热部分取出一小块建立对称胞元喷丸模型,并且将高温加载所致的温度场和热应力场通过解析场的方式导入到对称胞元喷丸模型,模拟高温喷丸强化过程。最后通过回弹计算获得稳定的残余应力场和温度场。创建4种模拟工况：常温喷丸、单独导入温度场的喷丸、单独导入热应力场的喷丸和高温喷丸,探究高温喷丸的残余压应力强化机理。结果表明：在常温环境下,对称胞元喷丸模型模拟的Ti6Al4V表层残余应力与试验结果具有很好的一致性。在高温加载作用下,随着热流密度的增加,受喷材料表层残余压应力有所减小,材料亚表层的残余压应力逐渐增大。影响高温喷丸强化的残余压应力的主要因素是高温加载所致的温度场,热应力场对残余压应力强化起次要作用。     

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。     

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。     

Eigenstrain modelling of residual stresses generated by laser shock peening

This paper presents an eigenstrain (misfit strain) model of the residual stresses generated by laser shock peening (LSP). The shock wave is first modelled as a dynamic pressure load in an explicit finite element (FE) model and the stabilised plastic strain distribution is extracted. This strain distribution is then incorporated as an eigenstrain distribution in a static FE model and the residual stresses generated by the original shock wave are obtained as the elastic response to the eigenstrain. In order to focus on the basic mechanics, an elastic-perfectly plastic material model is assumed. Similarly, a simplified pressure/time variation (a triangular ramp with the peak pressure occurring at the half the total pulse duration) is assumed in order to characterise the pressure pulse. The peak pressure and the duration of the pressure pulse are determined in a way that they are consistent with experimental results. The analysis is extended to study the case of multiple pulses and the results show that the process generates compression in a surface layer of about 1.5-2 mm deep. Furthermore, the results demonstrate that the magnitudes of subsurface tensile stresses are of the order of one fifth of the material's yield strength for typical peening conditions.     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

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。     

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。     

基于DEM-FEM的微粒喷丸仿真分析

微粒喷丸作为一种新兴的喷丸工艺,由于工艺试验数据与仿真技术的缺失,其作用机理尚未探明。基于ABAQUS二次开发,采用离散元与有限元（DEM-FEM）相结合的方法,构建考虑初始残余应力与硬化层梯度的随机多弹丸微粒喷丸弹塑性模型,探究微粒喷丸的喷射速度与覆盖率对残余应力分布和表面粗糙度的影响规律。发现随着微粒喷丸喷射速度的增加,靶体表面粗糙度的算术平均偏差Sa线性增加;覆盖率达到100%后,覆盖率大小对Sa与残余压应力分布影响不大;喷射速度对于微粒喷丸的最大残余压应力值影响不大,但对残余应力层的厚度有显著影响。通过DEM-FEM耦合方法对微粒喷丸机理进行探究,为工艺参数的制定提供理论支撑。     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响(Ⅰ)

当短脉冲、高峰值功率密度 (>10 13 W /m2 )的激光辐射金属靶材时 ,就产生高温、高压等离子体 ,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度应力波冲击金属表面并向内部传播 ,在材料表面产生应变硬化 ,称这种表面强化技术为激光冲击处理或激光喷丸。激光冲击处理可以提高材料表层硬度、强度 ,并获得比传统的喷丸技术更深的硬化层或残余压应力层 ,从而更有利于材料疲劳性能的提高 ,为研究激光冲击处理在焊后强化方面的应用 ,本文对 1.6 6mm厚的镍基高温合金GH30、1.2mm厚的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti板材焊缝进行了激光冲击处理 ,对比了激光冲击处理试件和未经激光冲击处理试件焊逢的表层显微硬度、残余应力、抗拉强度和疲劳寿命 ,发现激光冲击处理能提高GH30氩弧焊焊接接头抗拉强度 12 % ,提高 1Cr18Ni9Ti等离子焊接接头疲劳寿命30 0 %以上。     

表面曲率对激光冲击曲面材料表面残余应力场分布的影响

目的针对曲面材料在激光冲击作用下,表面曲率对激光冲击波传播存在影响,使其残余应力场分布情况不同于平面,分析其形成机理。方法将研究对象设置为凸模型,借助有限元软件ABAQUS,模拟了1500MPa冲击压力下,激光冲击波分别加载1/5、1/10、1/15曲率的7050铝合金试样。设置相应的平面试样作为对照组,并采用相同参数条件进行实验验证。结果当曲率为1/5时,冲击后的材料表面残余应力场分布不均匀,在母线方向的光斑边缘处,残余压应力仅为-237.0 MPa,塑性应变层深为0.5878μm;在圆周方向的光斑边缘处残余压应力为-258.5 MPa,较母线方向增加9.07%,塑性应变层深达到1.235μm,较母线方向增加110.11%。这一现象随着曲率的减小而逐渐消失,当曲率小于1/15时,表面残余应力场分布近似平面。结论激光冲击凸模型时,表面残余压应力场分布存在偏向现象,即试样沿母线方向的残余压应力值小于圆周方向,其对应的塑性应变深度也呈相同的规律。