激光冲击对小孔疲劳寿命的影响_毕业设计论文(编辑修改稿)

激光冲击对小孔疲劳寿命的影响_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命 、 抗应力腐蚀性能。 具有如下的特点：（ 1）高压 、 高应变率。 冲击波峰压力达到数万个大气压；应变率达到 107S1，比喷丸强化高出万倍，比爆炸高出百倍。 （ 2）超快。 塑性变形时间仅仅几十纳秒。 （ 3）无机械和热应力损伤。 激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，而且激光脉冲短，只有几十纳秒，瞬间完成与冲击过程，且大部分 能量被能量吸收层吸收，传到金属表面的热量很少，所以无热应力损伤。 1972 年，美国 Battlells Columbus 实验室的 Fairand 率脉冲激光诱导的冲击波来改变 7075 铝合金的显微结构组织和机械性能，研究表明其屈服强度提高 30%。 随后在对 2024 T351 铝合金试件进行激光冲击试验中，发现激光冲击后表面硬度有较大的提高，如图 所示；另外实验还表明，激光冲击后的在材料表面产生的残余压应力的大小及其作用深度较传统处理方式有很大的改善。 在研究了激光冲击强化铝合金后，钛合金 、 铁 、 铜也被成功处理。 另外，科研人员扩大研究范围，对 6061T6合金 、 2024T3 合金 、 Ti6AL4V 合金进行冲击，提高其耐疲劳强度，并认为表面硬度的提高是由于强化产生的位错引起 的。 最近 Yilbas 等人研究了纯铝的激光冲击强化特性，通过电镜扫描发现其内部组织也会产生位错现象。 研究还发现：对 18Ni 马氏体时效钢的焊缝进行处理后，耐疲劳强度提高 17%。 Senecha 等人研究了激光诱导的冲击波在铝薄片中的传播，表明数值模拟可以很好计算激光吸收系数。 激光冲击强化在中国还处于研究和初步应用阶段，从事这 方面研究的主要有南京航空航天大学和江苏大学。 最近， 等人对航空发动机叶片进行激光冲击处理，耐疲劳寿命得到显著提高。 在激光冲击强化技术的工程应用方面，美国等工业发达国家已经进入了商业化时代。 1995 年美国的 Jeff Dulaney 创建激光冲击处理公司（ LSP ）。 主要是向业界提供优质的 LSP 服务和设备。 同年美国加利福尼亚大学 Lawrence Livermore国家重点实验室 MIC（ Metal Improvement .）开发研制了平 均功率为 600W、 功率为 3GW、 每 钟能产生 10 个脉冲钕玻璃激光器，成功用于喷气发动机扇叶的强化，如图 6 所示。 1997 年 GEAE 公司（通用电气航空发动机厂）将激光冲击强化用于 B1B/F101 发动机叶片生产线，节约维修保养费 9900 万美元，如图所示。 2020 年，美国 MIC 公司将激光冲击强化用于叶片生产线，如图 所示，每月可节约飞机保养费 、 零件更换费几百万美元，随后扩展应用于 F16 战斗机及最先进的 F22 战斗机。 据估计，仅用于军用战斗机叶片的处理，美国就可节约成本逾 10 亿美元。 2020年 国又 将激光冲击延寿逐步推广到大型汽轮机 、 水轮机的叶片处理，石油管道，汽车关键部件减量化等。 据报道仅仅石油管道焊缝的处理就达 10 亿美元以上的收益。 研究的主要内容 激光冲击强化技术作为一种新的表面处理技术，能显著的提高材料的抗疲劳性能。 本文选取了先 开孔 后激光冲击的工艺方法，通过实验与数值模拟分析研究了不同激光冲击工艺下小孔区域的残余应力场及其疲劳性能，并对疲劳断口进行了相应分析，主要工作如下： 1. 以 ABAQUS软件为 基础 ， 建立小孔强化数值模拟的总体方法， 建立起激光冲击参数一残余应力一疲劳特性之间的数字 化分析方法。 对数值分析过程中的关键问题和相关设置进行了处理。 2. 定性分析激光冲击对小孔疲劳寿命的影响，在不同的激光参数下的疲劳数值分析，且这些参数独立改变， 为小孔激光冲击强化过程中残余应力控制和疲劳性能提供指导。 3. 研究激光搭接冲击强化技术，同样进行数值模拟， 对比分析丌孔前后残余应力场的变化 ，然后在不同疲劳载荷下进行疲劳数值分析，最后研究疲劳性能。 4. 进行激光搭接冲击处理实验后对疲劳性能进行分析并 从断口形貌与断面粗糙 度的角度对不同处理状态下疲劳断口进行了相应的研究分析。 第二 章 疲劳分析的数值建模 激光 冲击工艺复杂，强化效果影响因素较多，完全采用实验手段研究该工艺费时费力，数值模拟可以用来预测激光冲击强化效果，根据有限元模拟获得的应力应变结果进一步的疲劳寿命设计，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，缩短产品开发周期，降低开发成本，为进一步的实验研究提供参考。 本文以 ABAQUS软件为平台，建立激光冲击强化前后的疲劳寿命预测模型，模拟时主要研究激光冲击诱导的残余应力场及塑形变形两者的协同效应，分析其对疲劳寿命的影响机理。 数值模拟的总体思路 本 文基于 ABAQOS软件平台，采用先 开孔后激光冲击 的工艺方法，通 过有限元建模，建立起激光冲击参数 残余应 疲劳特性之间的数字化分析方法。 用不同激光冲击参数冲击强化小孔，研究分析小孔残余应力场，进而分析对小孔疲劳寿命的影响。 总体思路为： 激光冲击过程的动态加载是复杂的非线性动力学问题。 激光诱导的冲击波峰值压力大且作用时间短 , 当金属局部表面受到这种冲击载荷作用 时 , 扰动会逐渐由近及远传播到未受扰动的区域中去 , 这种扰动的传播就是应力波。 选择显式积分算法可精确追踪靶材由于应力波作用所产生的动力学响应。 由于应力波在金属靶材内部传播过程中存在反射和相互作用 , 因此为了使靶材获得充分的塑性变形 , 必须使设定的显式算法的计算时间大于激光诱导冲击波 的持续时间。 为了以最小的计算机时获得最终靶材表面及内部的残余应力场分布 , 需要将应用动力显式算法得到的计算结果导入适合于计算静态和自然频率响应 问题的静力隐式算法模块进行平衡回弹运算。 另外 , 在模拟单点多次激光冲击形成的残余应力场时 ,第一次冲击计算得到的残余应力、应变值应作为初始值读入显式积分算法模块中 , 以进行第二次冲击波加载的有限元计算。 下面为激光冲击的有限元模 拟流程： 激光冲击的有限元模拟流程 Finite element simulation process of laser shock ABAQUS建 模过程 激光冲击强化金属板料致使材料表面产生塑性变形，其冲击能量来源于激光冲击与金属材料相互作用时在表面产生的强大的冲击波。 冲击波载荷的大小、加载方式及加载时间是影响数值模拟精度的关键。 因此，如何设置激光冲击波载荷大小和加载方式是模拟激光冲击强化的关键 问题。 几何模型的建立 abaqus的 part模块里面可以建立草图，也可以进行拉伸、旋转、扫描、放样等操作。 建立模型时应注意尺寸，以免模型过大或过小对冲击效果有影响。 本文研究激光冲击对小孔疲劳寿命的影响，模型如下： 该有限元模型孔半径 5mm，厚度 5mm，采用 LY12CZ铝合金。 材料的 本构模型 材料本构模型是根据材料及模型的变形情况来选择的，是综合考虑的结果。 选择本构模型最核心的一点是：利用某本构模型拟合得到的应力应变数据应最大程度上能反映你所使用的实验数据，吻合程度越好，说明选择的模型对这组材料越适合。 JC模型是由 Johnson和 Cook于 1983年针对金属材料在大变形 .高应变速率和高温条件下的流变行为提出的一种经验模式。 JC模型形式简单 ， 参数少 ， 使用方便 ， 在工程中得到了广泛应用。 但是 JC模型实际上是将材料的力学行为归结为应变效应 、 应变速率效应和温度效应相乘的一种经验型本构模型 ， 这与材 料的实际流变行为有些不一致 ， 如 JC模 型 中将应变速率效应看作是应变速率对数的线性函数 ， 这与一些材料的实际情况不太一致 ，为此有研究人员提出了应变速率效应是应变速率对数的指数函数 ： 式中 ： ε ｐ 为塑性应变 ； ε *＝ ε ／ ε o ， ε 为无量纲应变速率 ， ε o为参考应变速率 ； Ｔ *＝ （ Ｔ－Ｔ ｒ ） /（ Ｔ ｍ －Ｔ ｒ ）， 为无量纲温度 ， Ｔ 为试验温度 ， Ｔ ｒ 为室温温度 ， Ｔ ｍ 为金属材料的熔点温度 ； Ａ ， Ｂ ， Ｃ ， ｎ ， ｍ 为 ５个待定系 数。 本论文研究的参数为： A为 325， B为 555， C为 ， m为 ， n为。 材 料参数为： 密度 2780g/mm3，弹性模量为 73GP，泊松比为。 划分网络是有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，工作量较大， 所划分的网络形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差异，因而对计算机精度和计算规模会产生显著的影响。 一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，网格较少时，增加网格数量可以显著提高计算精度，而计算时间不会有很大的增加。 所以应注意增加网格数量后的经济性。 下图为本论文模拟时的网格划分 : 在 Fabbro 研究的基础上 , 通过估计冲击波峰值压力的大小 , 以及由 PVDF 传感器得到的冲击波压力幅值 时间曲线实现激光诱导冲击波的精确加载。 （ A） 激光诱导冲击波峰压估算 由于激光冲击波加载本身的特殊性，即作用时间短 (ns级 )、压力大 (GPa级 )，因此用软件来模拟激光冲击波的产生还比较困难。 因此，在激光冲击强化模拟过程中，将冲击波载荷简化为作用在冲击区域内随时间和空间变化的压力载荷，然后将其作为载荷直接作用在板料表面。 确定冲击波的加载方式后，需确定压力载荷的峰值。 目前，模型中的冲击波峰值压力采用的是 约束模式，因此本节只探讨约束模式下的冲击波压力。 根据爆轰波稳定传播理论，在冲击波阵面上，其质量、 动量和能量保持守恒以及冲击波波速之间的关系，推得激光冲击波峰值压力估算式。 （ ） 式中彳为吸。