激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

7075铝合金激光多点冲击诱导残余应力的数值模拟

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面改性技术。在实际应用中,由于激光光斑直径通常在20 mm以下,工件表面大范围的激光冲击强化需要采用多个光斑搭接。运用实验和数值模拟的方法,探讨了光斑在不同中心距下诱导的残余应力场的分布规律,研究了不同搭接率对残余应力分布的影响,以及两种不同加载顺序下表面残余应力的分布特性。结果表明:相邻光斑中心距对两光斑之间区域的残余应力有重要影响,随着两光斑中心距的减小,相邻光斑之间区域的应力场由残余拉应力转变为残余压应力;搭接率越大,获得的残余压应力幅值越大,残余应力分布越均匀;从中间到两侧的多点冲击方式能获得较大、较均匀的残余压应力。     

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。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

球铁曲轴零件的激光冲击强化

采用具有五轴联动数控工作台的高功率钕玻璃激光冲击强化系统，对球铁曲轴主轴颈和连杆轴颈的圆角部位实施冲击强化处理。实验中采用的激光波长为1.06 μm，脉宽为23 ns，脉冲能量为25～40 J。用流动的水帘作为激光冲击的约束层材料，硅酸乙酯作能量吸收层。对冲击后试件的残余压应力、硬度和耐磨性等进行了测量分析。结果表明，球铁曲轴经激光冲击强化后，受冲击部位没有明显的宏观变形，获得了较高的表面硬度和残余压应力，耐磨性比未冲击强化处理提高1.4倍，有效地提高和改善了曲轴的使用寿命。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

马氏体不锈钢激光表面熔化处理后的表层残余应力

采用两种极端的多道顺序激光扫描工艺，证实了马氏体不锈钢激光表面熔化处理后表层残余应力并非都是压应力。残余应力性质与熔池尺寸和重叠区相对大小有关。表面重叠区宽度大于熔池表面宽度一半，才会有明显的表层压应力；重叠区过小，往往为拉应力。     

激光冲击波加载金属材料中心压应力缺失效应

纳秒脉冲、千兆瓦级激光辐照金属材料产生高压等离子体冲击波,作用于金属材料表面并向内传播,产生残余压应力场.但在单次冲击加载时,残余压应力场中心出现的残余压应力值小于加载边缘,应用理论分析和实验测试的方法解释了这一过程,并结合激光诱导冲击波Fabbro方程和TC4钛合金动态响应模型,建立了不同形式冲击波加载TC4钛合金的数值仿真模型,分析了冲击波压力、作用时间和加载形式对中心压应力缺失的影响.     

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。