【正文】 （a）200ns （b）300ns （a）400ns （b）500ns （a）2000ns （b）5000ns由圖可知激光沖擊波作用結(jié)束后，材料中依然有向前傳播的應(yīng)力波。 放大的變形圖其次，在5000ns結(jié)束后顯示最后的云紋圖。在Visualization功能模塊，我們來分析結(jié)果。我們本次模擬的模型大小為1010mm，數(shù)值分析的結(jié)果對網(wǎng)格密度非常敏感，網(wǎng)格劃分越密，越容易獲得精確的結(jié)果，但是密集的網(wǎng)格會加重計算機的求解量，占用大量的磁盤空間，顯示算法中計算時間與單元數(shù)量成正比，與最小單元尺寸成反比，隱式算法中計算時間和自由度數(shù)目成反比，這樣計算時間也會更長，所以進行合理的網(wǎng)格劃分對在相同的計算時間內(nèi)提高計算精度具有重要意義。對于下側(cè)邊界：Y方向位移約束。如下圖所示： 激光沖擊波加載曲線激光沖擊波波型與激光脈沖波型相似，先是隨時間的變化上升，當(dāng)?shù)竭_一定值時在隨時間衰減，大致是一個三角波。再在Field Output Requests Manager里設(shè)置每一幀的時間為50ns。啟動ABAQUS有限元分析軟件之后，在模塊列表你新建一個二維的軸對稱模塊。用戶通過準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計算結(jié)果。例如，對于復(fù)雜多構(gòu)件問題的模擬是通過把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項塊與相應(yīng)的材料性質(zhì)選項塊結(jié)合起來。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。真實世界的仿真是非線性的,SIMULIA將成為模擬真實世界仿真分析工具,多物理場分析平臺[29]。隨著計算機和有限元技術(shù)的高速發(fā)展，借助于有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種重要的研究手段。結(jié)合計算機輔助設(shè)計技術(shù)，有限元法也被用于計算機輔助設(shè)計中。每個單元的場函數(shù)是只包含有限個待定節(jié)點參量的簡單場函數(shù)，這些單元場函數(shù)的集合就能近似代表整個連續(xù)體的場函數(shù)。現(xiàn)代有限單元法的第一個成功的嘗試是在 1956年，TURNER、CLOUGH等人在分析飛機結(jié)構(gòu)時，將鋼架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確答案?；舅枷耄河山饨o定的泊松方程化為求解泛函的極值問題[28]。當(dāng)加載達到初始屈服極限后，塑性變形開始出現(xiàn)在材料表面，材料的屈服應(yīng)力恒定。在復(fù)雜應(yīng)力問題中，判別材料是否達到屈服狀態(tài)，經(jīng)常采用MISES準(zhǔn)則或者TRESCA準(zhǔn)則。對于各向同性材料，彈性階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵從廣義Hooke定律中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。此外還有介質(zhì)質(zhì)點縱向運動和橫向運動結(jié)合起來的應(yīng)力波，如彈性介質(zhì)表面波。固體中的應(yīng)力波通常分為縱波和橫波兩大類。 激光沖擊波壓力時程曲線示意圖[27]激光沖擊作用下，材料的動態(tài)響應(yīng)是復(fù)雜的應(yīng)力波傳播與相互作用的過程。彈性波在材料表面釋放完后，塑性加載波以一定波速開始向材料內(nèi)部傳播；由于GpG1，所以一維應(yīng)變彈塑性加載波的彈性波波速大于塑性加載波波速，彈性前驅(qū)波在傳播的過程中，逐漸與塑性加載波拉開距離成為前驅(qū)波，而使應(yīng)力波曾現(xiàn)雙波波形；劉世偉用PVDF壓電膜傳感器測得了激光沖擊波在鋁靶材傳播過程的彈塑性雙波結(jié)構(gòu)。顯然，可知：σxCσyC=σs () σxBσyB=σs () σyBσyC=ν1νσxBσxC ()σxBσxC=21ν12νσs=2σH ()σx=E1εx=K+43Gεxσx≤σH ()σx=Kεx+23σxσyσxσH ()對于理性塑性材料，Gp=0，σxσy=σs，于是，σxεx的關(guān)系圖如下： 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線[27] 激光沖擊波在材料中的傳播，:①壓力小于材料HUGONIOT彈性極限(HEL)以下的彈性波。H ()H=H0=σs理想塑性材料HpεxpHwWp ()現(xiàn)在來求一維應(yīng)變狀態(tài)下σx與εx的關(guān)系式。激光產(chǎn)生的沖擊波向靶材和約束層中傳播，設(shè)其速度分別為D1D2，在沖擊波作用下，界面將被打開，其位移速度分別為U1,U2。(2)在等離子體一維流動假設(shè)前提下，當(dāng)激光光斑尺寸較小時，由等離子體橫向膨脹而引起的沖擊波壓力下降占有較大份額；(3)沒有考慮沖擊波在靶材表面的衰減，因此必須對上述模型進行修整。通常α=。并給出了約束模式中等離子體行為的宏觀方程式： It=PtdLtdt+3aαddtPtLt () V t=dL(t)dt=1Z1+1Z2Pt ()式中j(O為激光功率密度，P(t)為等離子體壓力，L(t)表示在t時刻靶材表面到約束層界面之間的等離子體厚度，V（t）為等離子體的膨脹速度,Zi=ρiDiD，為靶材及約束層對沖擊波的阻抗系數(shù)。最初人們研究的是激光直接輻照靶面時所產(chǎn)生的沖擊波壓力的分析模型，但在這種模式下的沖擊波峰值壓力不高，對實際應(yīng)用價值不高。由于激光誘導(dǎo)涂層產(chǎn)生的沖擊波是由等離子體所產(chǎn)生的，因此影響激光沖擊波峰壓的因素與產(chǎn)生等離子體的參數(shù)有關(guān)，包括激光的功率密度、激光波長、脈寬、光斑尺寸、激光模式等諸多因素。由于此沖擊波源于激光等離子體對空氣的高速壓縮，所以我們稱它為激光等離子體沖擊波。激光支持的爆轟波以超音速逆著激光方向發(fā)展，此時等離子體速度可達每秒幾千米以上，根據(jù)沖擊波的形成原理，這種等離子體對周圍空氣的快速高壓的壓縮在極短的時間內(nèi)即能在空氣里產(chǎn)生沖擊波。等到吸收層汽化完全成為等離子體后，激光與物質(zhì)相互作用反映在激光與等離子體中靜電波及離子聲波的各種禍合散射現(xiàn)象。當(dāng)一束高功率、短脈沖(ns量級) 激光作用到金屬材料表面時, 材料表面迅速吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化, 并幾乎同時電離形成高溫度(大于10K)、高壓(大于1Gpa)、背離材料向外噴射的稠密等離子體, 從而誘發(fā)一個高壓沖擊波, 并在材料表面或內(nèi)部施加一壓力[25]。眾所周知，非線性的數(shù)值模擬是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。數(shù)值模擬軟件在開始階段一般采用單一坐標(biāo)，或采用拉格朗日坐標(biāo)或采用歐拉坐標(biāo)，由于這兩種坐標(biāo)自身的缺陷，計算分析問題的范圍都有很大的限制[24]。數(shù)值模擬分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值模擬方法。隨著軟件技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，目前國際上數(shù)值模擬軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢：1）由二維擴展為三維。有限元包括結(jié)構(gòu)有限元和動力有限元，動力有限元適合于計算邊界形狀復(fù)雜或者包含物質(zhì)界面的強動載問題計算，便于編制通用程序，在沖擊問題的模擬計算方面得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動力之一。這些方程只有在極其簡化情況下才可以得到一些解析解，一般只限于包含兩個自變量的平面問題。應(yīng)該指出這部分工作決不是輕而易舉的。，就可以開始編制程序和進行計算。，需要解決的問題是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計算方法。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。它以電子計算機為手段，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。MORALES 等人提出了殘余應(yīng)力優(yōu)化系統(tǒng)，將殘余應(yīng)力場與激光參數(shù)之間形成定量關(guān)系，以其達到最佳強化效果[23]。沖擊波壓力模型有很多，他們都認(rèn)為激光輻射均勻，所以沖擊波在約束介質(zhì)和靶材中的傳播是一維的，如MORALES 在激光沖擊強化中采用一維壓力近似估算公式及計算沖擊波壓力。激光沖擊強化處理用于局部區(qū)域強化，可在空氣中直接進行，對工件尺寸、形狀及所處環(huán)境適應(yīng)性強，工藝過程簡單，控制方便靈活。利用的是激光與材料之間的熱效應(yīng)[21]。1979年以后，法國、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達國家也加人到激光沖擊處理試驗研究的行列，大大促進了此項技術(shù)向航空工業(yè)的推廣[20]。60年代后期，美國俄亥俄州的巴特爾紀(jì)念學(xué)院哥倫布實驗室，最早對高功率激光束汽化金屬表面所形成的反沖壓力波進行了試驗演示，1972年該學(xué)院首次對7075航空鋁合金進行了激光沖擊強化的表面處理，后來又相繼對2024鋁合金、Fe．3合金以及5086H32和6061．T6鋁合金焊接區(qū)等進行了激光沖擊處理，大大提高了這些材料的硬度、強度和耐疲勞性能。目前,美國加利福尼亞大學(xué)LAWRENCELIVERMORE國家重點實驗室的研究小組也正在從事這方面的研究,他們在對激光沖擊強化和機械噴丸強化所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大小及其分布的研究中,發(fā)現(xiàn)激光強化技術(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更大更深,并且在多次試驗中發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果具有穩(wěn)定性和一致性,從而后提出了控制殘余應(yīng)力分布來實現(xiàn)板料成形的設(shè)想并進行了實驗研究。從而實現(xiàn)板料的彎曲變形[17]。目前中國科技大學(xué)和江蘇大學(xué)合作研制的脈沖能量60J、重復(fù)頻率2Hz的釹玻璃高功率激光沖擊波系統(tǒng),也用于材料改性成形等方面的研究。 激光沖擊研究的設(shè)備[15]目前激光沖擊強化技術(shù)已經(jīng)用于汽車工業(yè),船舶工業(yè)、核工業(yè)和軍工等領(lǐng)域。高壓使得金屬表層形成高的塑性變形層,強化深度達到1～2mm,；(2)由于激光光斑大小可調(diào),且能精確控制和定位,所以能夠加工一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位,如小槽、小孔、焊接板細(xì)縫以及輪廓線之類；(3)無機械損傷,與傳統(tǒng)的強化工藝如噴丸、冷擠壓相比,激光沖擊強化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機械損傷,這對齒輪面的強化具有特殊價值；(4)無熱應(yīng)力損傷,由于激光脈沖短,只有幾十納秒,激光與金屬表面作用時間短,且大部分激光能量被能量吸收層吸收,傳到金屬表面的熱量很少,所以不會引起相變。與激光沖擊強化相比,約束的解除為板料的成形提供了空間。因此脈沖激光產(chǎn)生的沖擊波成為研究固體表面改性的新工具,從此揭開了激光沖擊波處理材料的應(yīng)用研究序幕。 利弗莫爾國家實驗室[9]激光沖擊強化是利用激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波對材料表面實施改性的一種技術(shù)。由于這種沖擊波壓力高達數(shù)個GPa,遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度,從而使材料產(chǎn)生屈服和冷塑性變形,同時在成形區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力,改善了成形件的疲勞和腐蝕性能。激光沖擊強化處理的實質(zhì)就是沖擊波即應(yīng)力波與材料相互作用的結(jié)果[7]。在此過程中，由于能量吸收層的“犧牲作用，加之激光沖擊的時間極短，保護了工件表面不受激光熱損傷，故熱學(xué)效應(yīng)可以忽略不計，因此將激光沖擊強化工藝歸為冷加工工藝，約束層的存在大大提高了激光沖擊波的壓力幅值和作用時間。為了提高材料對激光能量的吸收和保護材料表面不受激光熱損傷，在激光沖擊前，一般在工件的待沖擊區(qū)域涂上一層不透明的材料，稱之為吸收層，然后再覆蓋一層透明的材料，稱之為約束層[5]。 激光沖擊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[4]由于零部件在使用過程中難免會出現(xiàn)各種裂紋和缺陷，應(yīng)力集中區(qū)也隨之產(chǎn)生，從而導(dǎo)致零部件的破損和失效。而激光在信息產(chǎn)業(yè)中的大量應(yīng)用更是信息時代到來的主要原動力之一。激光是光的受激輻射，因而它是一種極好的光源，它首先在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其后在我國科學(xué)家錢學(xué)森的建議，統(tǒng)一翻譯成激光或者激光器[3] 。20世紀(jì)50年代美國科學(xué)家TOWNES以及前蘇聯(lián)科學(xué)家PROKHOROV等人分別發(fā)明了一種低噪聲微波放大器，即一種在微波波段的受激輻射放大器（Microwave amplification by stimulated emission of radiation），并以英文的第一字母縮寫為Maser。從而進一步誘發(fā)向金屬內(nèi)傳播的沖擊波。激光沖擊誘導(dǎo)的應(yīng)力波是改變材料性質(zhì)的能量源。當(dāng)應(yīng)力波峰壓大于材料的動態(tài)屈服強度時，金屬材料的性能將會發(fā)生改變。由得到的云圖和XY表格可以看出，500ns后的激光沖擊波在材料內(nèi)部的傳播逐漸趨于穩(wěn)定。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波是由等離子體所產(chǎn)生的。設(shè)計說明書需打印輸出，并遵守相應(yīng)規(guī)范，參考文獻中除設(shè)計手冊和工具書外，至少含有5篇以上中文論文文獻和3篇以上外文文獻。再利用ABAQUS有限元分析軟件對建立的模型進行激光沖擊，設(shè)置好波型和峰值壓力。 利用ABAQUS有限元分析軟件建立一個1010mm的正方形模型，并對模型賦予材料屬性。課題折合0號圖1張圖紙；除至少有1張手工繪圖外，其余圖紙皆為CAD繪圖。激光沖擊誘導(dǎo)的應(yīng)力波是材料改性的能量源。在激光沖擊結(jié)束后，再利用ABAQUS對材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力場分布進行模擬。由于激光束與材料相互作用，產(chǎn)生強應(yīng)力波。由此可見，激光沖擊具有十分廣泛的應(yīng)用前景。激光沖擊以后，金屬表面溫度從室溫陡升至氣化溫度，氣化速度超過聲速[2]。激光的發(fā)展史應(yīng)該追溯到1917年，愛因斯坦提出光的受激輻射的概念，預(yù)見到受