AZ31B镁合金中强激光诱发冲击波的实验研究及数值模拟

论文摘要

激光冲击处理(LSP:Laser Shock Processing)作为一种新型的表面强化技术,得到越来越广泛的研究。镁合金是航空航天、交通工具等行业中越来越重要的材料。因此对镁合金进行激光冲击处理的研究,对提高其性能,增加镁合金构件的服役时间等具有重要意义。本文从激光冲击处理的机理出发,介绍了激光冲击处理过程中冲击波的形成和残余应力的产生。采用有限元分析和试验相结合的方法研究了激光冲击波峰值压力在镁合金中的衰减,并利用试验方法讨论了约束层以及激光功率密度对冲击波峰压的影响。论文的主要研究内容如下:对镁合金中激光冲击波峰值压力的衰减进行了研究。一方面运用有限元模拟的方法,通过讨论建模过程中的几个关键问题,模拟冲击波在镁合金靶材中的传播,得到了冲击波在镁合金中的平均传播速度以及冲击波峰压的衰减规律;另一方面,利用PVDF压电传感器对镁合金中的冲击波进行测量,首次得到镁合金中的冲击波波形,并且分析得出冲击波在靶材中的平均传播速度以及冲击波峰压的衰减规律。将试验结果与模拟所得的结果进行了比较,两者较好吻合。研究结果表明:冲击波在镁合金中的平均传播速度与应力波中纵波的传播速度基本一致;在镁合金靶材内部,冲击波峰压呈指数衰减规律。以试验为手段,主要讨论了约束层以及激光功率密度对冲击波峰值压力的影响。首先分别对约束模型以及非约束模型进行讨论,得出约束层对冲击处理效果的影响;并对不同的激光功率密度进行试验研究,最终得出激光功率密度与峰值压力的关系曲线。结果表明:约束模式下,冲击波峰值压力是无约束层时的8倍左右,而且脉冲的持续时间也有显著提高;在一定范围内,随着激光功率密度的增加,冲击波的峰值压力也随之增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 激光冲击处理的机理
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 激光冲击数值模拟的发展
• 1.5 检测技术的发展
• 1.6 研究内容
• 第二章 激光冲击强化机理分析
• 2.1 激光冲击波的形成机理
• 2.1.1 材料与激光的相互作用
• 2.1.2 等离子体的形成和特性
• 2.1.3 激光冲击波的形成
• 2.2 激光冲击作用下应力波传播特性
• 2.2.1 一维应变平面波
• 2.2.2 弹性波
• 2.2.3 塑性波
• 2.3 本章小结
• 第三章 激光冲击波在镁合金中衰减的研究
• 3.1 激光冲击波衰减的有限元模拟
• 3.1.1 ABAQUS软件简介
• 3.1.2 有限元分析模块的选择
• 3.1.3 材料的本构模型
• 3.1.4 网格的划分
• 3.1.5 边界条件的定义及冲击波的加载
• 3.1.6 模拟结果及分析
• 3.2 激光冲击波衰减的试验研究
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试验原理
• 3.2.3 激光冲击波在镁合金中的平均传播速度研究
• 3.2.4 激光冲击波在镁合金中的衰减规律研究
• 3.3 模拟与试验结果的分析比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 试验参数对冲击波峰压影响的研究
• 4.1 约束层对冲击波峰压的影响
• 4.1.1 激光冲击处理的两种物理模型
• 4.1.2 两种模型下激光冲击波压力的计算
• 4.1.3 试验方案及原理
• 4.1.4 试验结果及分析
• 4.2 激光功率密度对冲击波峰压影响的研究
• 4.2.1 激光冲击参数对冲击强化效果的影响
• 4.2.2 试验方案及原理
• 4.2.3 试验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文