【正文】 場時，第一次沖擊計算得到的殘余應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值應(yīng)作為初始值讀入顯式積分算法模塊中，以進行第二次沖擊波加載的有限元計算。因此，如何設(shè)置激光沖擊波載荷大小和加載方式是模擬激光沖擊強化的關(guān)鍵問題。）： 幾何模型的建立 材料的本構(gòu)模型 材料本構(gòu)模型是根據(jù)材料及模型的變形情況來選擇的，是綜合考慮的結(jié)果。但是JC模型實際上是將材料的力學行為歸結(jié)為應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變速率效應(yīng)和溫度效應(yīng)相乘的一種經(jīng)驗型本構(gòu)模型，這與材料的實際流變行為有些不一致，如JC模型中將應(yīng)變速率效應(yīng)看作是應(yīng)變速率對數(shù)的線性函數(shù)，這與一些材料的實際情況不太一致，為此有研究人員提出了應(yīng)變速率效應(yīng)是應(yīng)變速率對數(shù)的指數(shù)函： （21） 式中：εp為塑性應(yīng)變；ε*＝ε/εo ，ε為無量綱應(yīng)變速率，εo為參考應(yīng)變速率；T*＝（T－Tｒ）/（Tｍ－Tｒ），為無量綱溫度，T為試驗溫度，Ｔｒ為室溫溫度，Tｍ為金屬材料的熔點溫度；A，B，C，ｎ，ｍ 為5個待定系數(shù)。 有限元網(wǎng)格數(shù)量的多少和質(zhì)量的好壞直接影響到計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。下圖為本論文模擬時的網(wǎng)格劃分: 模擬過程中的網(wǎng)格劃分 載荷模塊載荷可以根據(jù)與時間相關(guān)的幅值變化，集中力既可以參考總體坐標系，也可以參考局部坐標系或基準坐標系。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。 在FABBRO R 等人的研究基礎(chǔ)上，考慮到表面涂層的吸收率和約束層的透射率，激光誘導的沖擊波峰數(shù)值壓力也可以表示為： （23） 式中，P為激光誘導的沖擊波峰值壓力，Io為激光脈沖功率密度，M為約束層對激光的透射率；A為表面涂層對激光的吸收率；Z=*/（+）為金屬材料與約束層的匹配阻抗，為金屬材料的沖擊阻抗,為約束層的沖擊阻抗。 激光沖擊波壓力加載幅度曲線 激光束光斑內(nèi)功率密度分布（C）定義載荷 根據(jù)公式（22）可知：由不同的激光參數(shù)可以通過此式計算出沖擊波的峰值壓力。 輸入載荷編輯框 定義沖擊波的相關(guān)參數(shù)圖 在模型中，載荷的定義被自動傳播到后繼的分析步中；在后繼的分析步中還可以修改載荷的定義。在有限元模擬過程中還考慮了幾何非線性的影響。對于結(jié)構(gòu)，載荷和邊界條件對稱的情況（包括正對稱和反對稱），可以建立對稱面一側(cè)的模型用來計算，并對該對稱面施加正對稱或反對稱邊界條件。(1) Static General(靜力學分析)分析步：用于分析線性或非線性靜力學問題(2) Dynamic, implicit(隱式動力學分析)分析步：用于分析線性或非線性動力學問題(3) Dynamic, explicit(顯式動力學分析)分析步：用于顯式動力學分析(4) Static, Linear perturbation(線性攝動靜力學分析)分析步：用于線性靜力學分析本文設(shè)置寫入輸出數(shù)據(jù)庫的變量，包括場變量（以較低的頻率將整個模型或模型的大部分區(qū)域的結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫）和歷史變量（以較高的頻率將模型的小部分區(qū)域的結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫），,。 （2）ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式圖形環(huán)境，可以方便快捷地構(gòu)建模型，提交作業(yè)和顯示分析結(jié)果。第三章 激光沖擊過程中應(yīng)力場的數(shù)值模擬應(yīng)力分布是激光沖擊小孔并改性的宏觀表現(xiàn)，通過對應(yīng)力場的數(shù)值模擬來更好的分析疲勞壽命以及改性的效果。 激光脈沖功率密度的選擇 為了在金屬表面獲得塑性變形, 激光沖擊所產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力必須超過被處理金屬材料的動態(tài)屈服強度即： （32） 聯(lián)立（）和（），可得激光沖擊處理所需的最小激光脈沖功率密度為: （33） 另一方面, 為了防止材料發(fā)生層裂, 激光沖擊產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力不應(yīng)超過材料的動態(tài)抗拉強度，即： （34） 聯(lián)立（）和（）可得可得激光沖擊處理時所需的最大激光脈沖功率密度為: （35） 由此可見，金屬材料激光沖擊處理時所需的激光脈沖功率密度范圍為: （36） 光斑直徑的選擇 所示, 薄板在x軸方向受均勻分布的拉應(yīng)力作用, 板中有一直徑為d的小圓孔。因此在激光沖擊處理小孔時, 為降低應(yīng)力集中所產(chǎn)生的最大應(yīng)力, 提高小孔抗疲勞斷裂能力, 應(yīng)使小孔在3d 的范圍內(nèi)得到強化。 激光沖擊的前過程是個動態(tài)過程，通過激光沖擊與材料表面作用而產(chǎn)生力的變化，以此來實現(xiàn)彈性形變。當t=600ns時，應(yīng)力波已傳到了有限元體的最底部，由于無線單元體的原因，一部分應(yīng)力波透過無限單元，而還有一部分由于卸載擾動和塑性加載波相互作用所產(chǎn)生的反向卸載波與彈性卸載波相互作用產(chǎn)生的各種反射波繼續(xù)在模型中傳播，對材料產(chǎn)生卸載作用。根據(jù)定義，由于一個靜態(tài)求解是一個長時間的求解過程，所以在其固有的時間尺度上分析模擬常常在計算機上是不切合實際的，它將需要大量的小的時間增量。由動態(tài)分析的云狀圖可知，雖然顯式動態(tài)分析得到了基本穩(wěn)定的應(yīng)力場，但是仍然存在著小幅的振動。（2） 動態(tài)分析是模擬激光沖擊小孔產(chǎn)生沖擊波的過程，在有限元模型中，沖擊波一個一個向前擴散，當?shù)谝粋€沖擊波到達有限單元邊界時會發(fā)反彈，并且和下一個沖擊波相互干涉，形成最后的云狀圖。然后對小孔沖擊前后疲勞壽命進行實驗，在循環(huán)載荷作用下，測量出數(shù)據(jù)并進行疲勞壽命對比，以此分析得出結(jié)論。脈寬2050ns，脈沖能量1050J，光斑直徑37mm。模型造出來以后，要先經(jīng)粗砂紙粗磨，后要經(jīng)過細砂紙細磨，要使表面盡量光滑。晶粒是由無數(shù)晶胞組成的，當金屬材料受到力的作用時就有應(yīng)變，相應(yīng)地晶粒中晶胞的晶面間距也會發(fā)生變化。： 應(yīng)力與不同方位同族晶面面間距的關(guān)系 具體公式如下，布拉格方程為 （41） 微分可得 （42） 式中：反射晶面的晶面間距布拉格角單色X射線的波長n干涉級數(shù)有應(yīng)力狀態(tài)下的布拉格角D有應(yīng)力狀態(tài)下的反射晶面的晶面間距晶面法線與試樣表面法線成角的晶粒的晶格應(yīng)變 （43） X射線測量系統(tǒng)通過測定入射線和衍射線的角度而得到晶格應(yīng)變值。 ，實驗數(shù)據(jù)得到了鋁合金孔壁周圍產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力為341MPa的殘余壓應(yīng)力，沿徑向殘余應(yīng)力有下降趨勢。 疲勞壽命的測試及分析 前面無論是數(shù)值模擬還是應(yīng)力分析，其最終結(jié)果都只是為了更近一步分析疲勞壽命，數(shù)值模擬是模擬應(yīng)力的形成過程及終態(tài)應(yīng)力分布，而殘余應(yīng)力分布則更直接地反映出疲勞壽命強弱，而本文要研究的疲勞壽命是根據(jù)疲勞拉伸實驗得來的，看似不需要前面的數(shù)值模擬，其實不然，此時數(shù)值模擬更更深刻地表明疲勞壽命的原理。激光沖擊處理能有效的細化金屬表層晶粒，晶粒愈小，晶界愈多，變形抗力也就愈大，抗疲勞性能也就愈強。下圖為做疲勞拉伸實驗時被拉斷試件圖： 疲勞拉伸實驗被拉斷試件 由于本實驗采用的是疲勞拉伸試驗，這就要對比受激光沖擊試件和未受激光沖擊試件在被拉斷之前受循環(huán)載荷沖擊次數(shù)，這是判斷疲勞壽命強弱的有力證據(jù)。激光誘導材料表層殘余壓應(yīng)力對疲勞抗力有著顯著影響，殘余壓應(yīng)力在疲勞載荷中起著負平均應(yīng)力的作用，提高了材料的疲勞強度。疲勞裂紋從疲勞源裂紋開始向四周擴散，屬于脆性狀疲勞斷口樣。晶粒內(nèi)部的滑移是裂紋成核的重要過程，小孔試件承受循環(huán)載荷作用時，由于孔壁處于平面應(yīng)力狀態(tài)，特別容易在表層晶粒內(nèi)產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。而下部分則是裂紋擴展區(qū)，裂紋擴展區(qū)是斷口中最重要的特征區(qū)域，其區(qū)域大小與材料的性質(zhì)和所承受的載荷水平有關(guān)，疲勞擴展區(qū)域與疲勞瞬斷區(qū)有明顯的分界線，裂紋擴展區(qū)的斷面較光滑，平整。 （a） LY12CZ航空鋁合金疲勞斷口二次裂紋擴展 （b） LY12CZ航空鋁合金疲勞斷口二次裂紋擴展 由于加載應(yīng)力大于試驗材料的屈服強度，金屬在每一周期都有一定量的塑性變形，所以材料處于彈塑性應(yīng)變狀態(tài)，產(chǎn)生的應(yīng)變包括彈性應(yīng)變量和塑性應(yīng)變量。測量區(qū)域面積為120x91pm2，每個斷I:3選取三個測量區(qū)域：疲勞源區(qū)。而隨著疲勞裂紋穩(wěn)定擴展，裂紋尺寸不斷增大，實際承受載荷有效面積逐漸減小，試樣的受力狀態(tài)發(fā)生改變，試樣承受應(yīng)力逐漸增大，裂紋閉合效應(yīng)逐步減弱，疲勞裂紋擴展速率加快，裂紋擴展步長增大，造成該區(qū)域粗糙度增大。 （a） 疲勞源區(qū)（b） mm區(qū)（c） mm處 ，在同種情況下，越靠近疲勞源處越精確（即粗糙度?。谝欢ǚ秶鷥?nèi)離疲勞裂紋源越遠越粗糙，這是因為隨著疲勞裂紋穩(wěn)定擴展，裂紋閉合效應(yīng)逐步減弱，疲勞裂紋擴展速率加快，故其粗糙度值越大，所以有效抑制疲勞裂紋的擴展，可以提高表面粗糙度。 ②在同一載荷水平下，激光沖擊處理后疲勞斷口不同區(qū)域的粗糙度整體相比未受沖擊處理斷口較小，這可能是因為激光沖擊強化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，抑制了裂紋擴展速度，裂紋擴展步長減小，因此粗糙度變小； ③在同一種處理狀態(tài)不同載荷下。（1）殘余應(yīng)力是激光沖擊要得到的重要部分，通過分析殘余應(yīng)力分布，就可以更加清楚地分析疲勞壽命。斷口分析更清晰反映出了裂紋擴展機理，這對于研究疲勞裂紋有著很大的作用，裂紋是一定存在的，但可以盡量消除一部分，延長其疲勞壽命，所以通過斷口分析我們可以更好地去找出提高疲勞壽命的方法。本文先通過數(shù)值模擬分析殘余應(yīng)力場，然后通過實驗來分析疲勞壽命，并且對斷口進行了分析：（1） 通過ABAQUS軟件對研究對象做了建模過程，其中網(wǎng)格劃分，邊界條件和設(shè)置分析步是建模過程中要注意的關(guān)鍵問題，不同的邊界條件會得到不同的模擬結(jié)果，不同的分析步會使一個模擬過程有規(guī)則的進行下去，盡管一些網(wǎng)格的劃分會使程序運行慢，但是其速度仍然可以滿足顯示要求。斷口表面粗糙度則說明斷面平均粗糙度越小，所對應(yīng)疲勞壽命越大，即疲勞斷面粗糙度在一定程度上反應(yīng)了材料抗疲勞性能的強弱。（2） 希望以后激光沖擊不止是用來改性，同時還可以鑄模。在論文的每一部分都是我和他們共同合作的見證，張老師給我提出了許多意見，在我和同學的交流下讓我更清楚的對該論文有了更深刻的理解。這個畢業(yè)設(shè)計是我走向人生的一個中轉(zhuǎn)站，我將要在此起航，我從中體會到了一股力量，讓我更踏實的邁向遠方。1995(12),16(4).[15] 張宏,．1999(1)：62,64[16] 鄒世坤，王健,李曉軒，王華明．LYl2，TC4，30CrMnSiA激光沖擊處理疲勞斷口分析．：37,16[17] 鄒世坤，王健，李曉軒，王華明．激光沖擊處理對高溫合金和奧氏體不銹鋼疲勞壽命的影響．應(yīng)用激光．1999(5)：259261[18] ．Montross，T．Wei，Y．Lin，G Clark ,Y．W．Mai．Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys：a (24)：10211036[19] P．Peyre,R．Fabbro，P．Merrien，H．P．Lienrade．Laser shock processingof aluminium alloys．Application to high cycle fatigue behavior .．Eng A．1996(A210)：102l 13[20] ．(4):4446[21] 石朝陽,劉赤榮,[J].機械設(shè)計(04)：10013997[22] 張永康. 激光沖擊強化產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵問題及應(yīng)用前景[J],2007，44（3）：7477[23] 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