脉冲激光冲击成形的理论与实验研究

论文摘要

激光冲击是一个复杂的瞬态过程,涉及到传热学、动力学、材料科学、激光技术和计算机技术等多门学科。激光辐射到金属靶材表面后,在极短的时间内,激光的被吸收、等离子体的产生、等离子膨胀爆炸形成冲击波、冲击波的约束和冲击载荷下板材的动态响应过程,以及激光冲击波对材料的微观组织的影响和材料的力学性能的变化等等诸多因素相互影响。激光冲击成形变形场的分布和动态响应的过程是研究激光冲击成形的一个关键问题,由于成形过程耦合因素多,加载时间极短,甚至短到纳秒级,以往的研究对许多影响冲击处理的因素作了大量的假设和一些定性的分析,对激光冲击成形的成形机理、变形场的理论计算和模拟、冲击成形处理的规律需要开展进一步深入的研究。单脉冲的激光冲击成形的研究可以更加简明更加直观地反映出激光冲击波的作用机理,建立板材变形量与激光参数、约束边界、材料的性能和作用时间等参数的关系,为分析各种参数对成形过程的影响提供有力的依据。单脉冲激光冲击成形的动态响应过程的分析和理论模型的建立,也为未来加工过程中各个参数的合理优化、板材变形过程的有效控制、分析和实现大面积金属板料的激光冲击成形奠定基础。本文通过对单脉冲激光冲击板材的变形过程的推导分析,提出了激光冲击板材的初速度分布假设;应用等效恒载荷简化计算,建立了单脉冲激光冲击下板材的变形场理论解析模型,并实验验证了数学模型的准确性;采用有限元仿真对激光冲击成形进行数值模拟,分析了激光冲击成形的特点;通过数学模型和有限元仿真相结合,讨论了影响激光冲击成形变形场分布的主要加工参数和激光参数,分析了激光冲击的动态响应过程,重点分析了速度,位移,应变,应变率的空间分布和随时间的历史分布;研究了激光冲击成形对材料主要性能的的影响。主要的研究工作如下:1.建立了激光冲击成形变形场的数学模型建立了以周边环形约束、中心区域受激光冲击的板材变形分析模型,基于冲量定理,在冲击加载区域,将冲击瞬间的力作用转化为板材发生塑性变形的初始动量,根据板厚与约束圆周直径的相对值,只考虑板材塑性变形的动力学弯曲响应。在激光冲击成形中,将成形过程分为两个相,分别对两个相的变形进行了分析计算,在计算的过程中,引入等效载荷以简化计算。通过黄铜和TA2板材的激光冲击成形实验验证了数学模型的准确性。2.激光冲击成形的数值模拟建立了激光冲击成形的数值仿真模型用于研究激光冲击成形动态响应过程和成形规律。模型采用显式动态分析,有效解决激光冲击成形中载荷高、结构响应变化快的问题,以提高激光冲击成形预测的精确性。分析了激光冲击成形中的瞬态响应过程,主要包括板材的速度、位移、应变以及应变率的空间和时间分布。3.激光冲击主要参数对冲击成形影响的研究研究了不同工艺参数和变形场的对应关系。结合激光冲击成形的理论与实验研究,总结了板材厚度、激光能量、板材屈服强度等主要参数对变形场的影响规律,改变了过去只依靠少量的实验结果就对某单一影响因素进行预测的方法。掌握了这些规律,可以同时预测多个工艺参数对变形场的影响,也可以通过目标变形来规划激光冲击工艺参数。4.研究了激光冲击成形处理对金属材料性能的影响研究了激光冲击成形对材料的表面形貌的变化。约束层和表面涂层是激光冲击成形中的两个重要影响因素,分析了约束层和表面涂层的选择和主要相关参数。比较了没有涂层,涂层厚度不足和合理的表面涂层对激光冲击效果的不同影响。通过实验对比研究了激光冲击对材料表面显微硬度、材料的金相的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 激光成形技术概述
• 1.2.1 激光热应力成形
• 1.2.2 激光冲击成形
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 激光冲击成形的数学模型
• 1.4.1 激光冲击处理冲击压力模型
• 1.4.2 激光冲击成形的最大变形量计算模型
• 1.5 目前研究存在的主要问题
• 1.6 研究目标与主要研究内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 主要研究内容与总体结构
• 第二章 激光冲击成形的变形场解析模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 激光冲击变形场理论计算模型
• 2.2.1 等离子体冲击波的过程分析
• 2.2.2 激光冲击板材动力响应的基本方程
• 2.2.3 板材运动的初速度模型
• 2.2.4 等效冲击载荷的处理
• 2.2.5 等效加载的成形过程
• 2.2.6 板材激光冲击位移场的表达式
• 2.3 解析模型主要参数分析
• 2.3.1 主要影响因素
• 2.3.2 材料参数
• 2.3.3 激光参数
• 2.4 本章小节
• 第三章 激光冲击成形的有限元建模研究
• 3.1 引言
• 3.2 数值仿真
• 3.2.1 激光冲击的特征
• 3.2.2 材料单向拉伸试验
• 3.2.3 网格的划分和时间步长
• 3.2.4 模型的边界条件和加载
• 3.2.5 阻尼
• 3.2.6 变形场的主位移
• 3.3 激光冲击的动态影响过程分析
• 3.3.1 瞬态速度场和位移场分布
• 3.3.2 板材变形的时间
• 3.3.3 瞬态应力的扩展过程
• 3.3.4 系统的能量历史
• 3.4 成形规律的仿真研究
• 3.4.1 主要工艺参数对变形的影响分析
• 3.4.2 应变率及率相关的影响
• 3.5 本章小节
• 第四章 激光冲击的成形实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备与冲击装置
• 4.3 实验结果
• 4.4 主要参数对变形场的影响
• 4.4.1 材料对变形场的影响
• 4.4.2 板材厚度对位移的影响
• 4.4.3 激光能量的影响
• 4.5 本章小节
• 第五章 激光冲击成形对材料的性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 表面涂层
• 5.2.1 表面涂层的作用
• 5.2.2 表面涂层的厚度
• 5.2.3 表面涂层的选择及涂抹
• 5.3 激光冲击成形材料性能的影响
• 5.3.1 表面形貌
• 5.3.2 金相结构
• 5.3.3 显微硬度
• 5.3.4 表面粗糙度
• 5.3.5 厚度变化
• 5.4 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究的主要工作
• 6.2 论文创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间主要论文