【正文】 材料收相外力作用時，彈性模量大的材料，彈塑性形變小。那么在沖擊波的作用下，虛線以上的為塑性區(qū)，以下為彈性區(qū)。當激光沖擊波的峰值壓力大于靶材的動態(tài)屈服極限時，材料發(fā)生塑性形變，使得材料表層強化單元體在手里方向上產(chǎn)生純單軸壓縮，導(dǎo)致受噴丸單元體的體積在平行于材料表面內(nèi)產(chǎn)生伸長變形，激光沖擊波結(jié)束后，材料的內(nèi)部會殘留一些塑性變形，由于材料內(nèi)部為一個整體，周圍材料對殘留有塑性變形的單元體與周圍的材料存在一定的幾何相容性，當經(jīng)過激光沖擊后就會收到周圍材料的推力作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力場，從而材料表面產(chǎn)生較厚的殘余壓應(yīng)力場[32]。當具有高強度的激光脈沖輻照涂有吸收層(黑漆)的金屬靶材時,由于很短的能量沉積時間,吸收層瞬間被汽化,蒸汽溫度快速地超過好幾萬度,且蒸汽繼續(xù)吸收入射來的激光束,因此蒸汽電子從原子中電離出來,產(chǎn)生一個快速膨脹的等離子體流。上述的兩種應(yīng)力，是在1153℃ 和738℃兩次相變而產(chǎn)生的，叫相變應(yīng)力。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應(yīng)力。因縱向收縮差大，因而產(chǎn)生的拉壓也大。這與國內(nèi)外的其他專家教授的結(jié)論相符。如下圖所示： 應(yīng)力波在靶材中的傳播規(guī)律，由圖可以看出，隨著沖擊波在靶材中傳播時間的增加，其強度逐漸減弱，在沖擊波剛開始作用于靶材表面時，其峰值壓力3GPa，之后的衰減幅度特別的大，而沖擊波的峰值壓力越大，衰減的速度越快，當峰值壓力隨著距離的增加逐漸減小時，其衰減速度也趨于平緩，沖擊波的峰值壓力與傳播時間之間基本是按著指數(shù)函數(shù)的關(guān)系衰減的，這與國內(nèi)外的研究成果相一致。沖擊應(yīng)力波在純鋁中傳播不同時刻和深度的應(yīng)力彩色云圖。 有限元模型網(wǎng)格的劃分 動態(tài)模擬所有的準備工作基本完成，現(xiàn)在提交Job，點擊Submit，分析完成。對于左側(cè)邊界：X與Y方向的位移約束，旋轉(zhuǎn)約束。創(chuàng)建一個分析步，設(shè)置總體作用時間為5000ns。他不僅能夠選擇合適參數(shù)，而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中有效地得到精確解。ABAQUS 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。試驗驗證是研究過程中必不可少的環(huán)節(jié)，但是實驗要投入許多人力物力和財力，還受制于實驗設(shè)備的 各種條件。有限元法把連續(xù)體離散成有限個單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。自從1969年以來，某些學(xué)者在流體力學(xué)中應(yīng)用加權(quán)余數(shù)法中的迦遼金法(GALERKIN)或最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應(yīng)用于以任何微分方程所描述的各類物理場中，而不再要求這類物理場和泛函的極值問題有所聯(lián)系。而對于塑性波，當沖擊壓力幅值較大，使材料產(chǎn)生屈服時，將會在材料內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，形成塑性波。加載波的特點是擾動引起的介質(zhì)質(zhì)點相對運動方向和波的傳播方向一致，而卸載波波后介質(zhì)質(zhì)點的相對運動方向和波的傳播方向相反。由此可見，沖擊應(yīng)力波的作用過程一個非常復(fù)雜的過程。顯然σH≥σs于是，本構(gòu)關(guān)系為:dσx=dsx+dσm=2Gdex2Gpdex+Kdεx () 以理想塑性材料為例，則可在平面內(nèi)劃出加載和卸載路徑如下圖所示： 在XY平面上的屈服曲線[27]圖中OA為彈性加載，AB為塑性加載，BC為彈性卸載，CD為反向塑性加載，亦可稱為塑性卸載。激光能量在靶材和約束層間被吸收，并僅僅局限在很薄的表層，這一區(qū)域的物質(zhì)(即涂層)加熱、汽化、離化后形成等離子體，它的爆炸受到了約束層的限制，壓力迅速增大，同時打開界面做功?？偰芰康囊徊糠枝罞用于建立脈沖壓力，而另一部分能量(1α)E被用于等離子體的產(chǎn)生和電離。 兩種沖擊模型的示意圖[25] 激光沖擊波的力學(xué)效應(yīng)激光沖擊波的產(chǎn)生主要是由于激光與能量轉(zhuǎn)換體間相互作用誘發(fā)等離子體噴射，施與靶面一反沖壓力，并在激光能量的支持下維持和傳播，是一種物理性質(zhì)的爆轟波。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)即可在空氣里產(chǎn)生沖擊波。在激光沖擊處理的過程中，脈沖為ns量級的激光束輻射到材料表面的吸收層時，常常輻射僅幾十納秒后即有激光吸收區(qū)形成，這時吸收層汽化尚未發(fā)生，此吸收區(qū)是環(huán)境氣體發(fā)生光學(xué)擊穿或電離形成的，通常對應(yīng)于爆轟波的形成。諸如巖石、土壤、混凝土等，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性數(shù)值算法才能解決?，F(xiàn)在，計算程序一般都由二維擴展到了三維，從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題。有限元方法是先將連續(xù)的求解域分解成有限個單元，組成離散化模型，然后求其近似的數(shù)值解。 數(shù)值模擬技術(shù)的背景和發(fā)展許多常規(guī)工程分析問題所涉及的過程通常用流體力學(xué)和彈塑性動力學(xué)模型來描述，根據(jù)情況采用一維或多維空間，綜合化學(xué)反應(yīng)方程、反應(yīng)率方程、熱傳導(dǎo)方程和材料本構(gòu)關(guān)系等，成為包含有線性和非線性偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程及代數(shù)方程的一個封閉方程組，根據(jù)具體情況有不同的初始條件和邊界條件。這些過去被人們忽略或回避的問題，現(xiàn)在受到越來越多的重視和研究。數(shù)值模擬包含以下幾個步驟：（工程問題、物理問題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。Hu等人采用簡化模型模擬重疊沖擊強化的殘余應(yīng)力場分布。因而，在合適激光參數(shù)下，激光沖擊強化處理對材料表層無結(jié)構(gòu)熱損傷，材料表面光潔度基本無變化，是無滲入或沉積污染的清潔工藝。BANAS也特別研究了激光沖擊強化技術(shù)對18Ni合金鋼焊接區(qū)的硬度和疲勞強度的影響。由于激光噴丸成形技術(shù)具有較高的表面質(zhì)量和成形精度,良好的易控性和重復(fù)性及優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性能,因而在航空和國防制造業(yè)、船舶和汽車制造業(yè)、變形零件的精確校直等實際生產(chǎn)中具有潛在巨大的應(yīng)用前景。國內(nèi)這方面的研究相對起步較晚,1996年,中國科技大學(xué)吳鴻興教授等人研制了我國第一臺小型化的激光沖擊強化裝置,并投入了基礎(chǔ)應(yīng)用研究,某些成果已用于成飛公司的飛機機翼的制造[16]。激光沖擊強化的技術(shù)優(yōu)勢十分明顯:(1)沖擊壓力高,例如,脈寬25ns,脈沖能量80J、光斑直徑約 1mm2的激光束作用在金屬表面壓力可達10GPa。由于激光具有良好的可控性及可重復(fù)性等諸多特點。在激光沖擊過程中,當高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(ns量級)的強激光沖擊金屬材料表面時,能量吸收層充分吸收高能激光的能量,而在極短時間內(nèi)形成一個高溫高壓的等離子體層,該等離子體層迅速向外噴射,由于約束層的存在,等離子體的膨脹受到約束限制,導(dǎo)致等離子體壓力迅速升高,結(jié)果施與靶面一個沖擊加載,產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強沖擊波。由于這種沖擊波壓力高達幾千兆帕，遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，使材料表面產(chǎn)生塑性應(yīng)變，出現(xiàn)孿晶等晶體缺陷，形成極其細小的位錯亞結(jié)構(gòu)，并使材料表層形成很大的殘余壓應(yīng)力，從而大幅度提高材料的強度、硬度和疲勞性能[6]。（如下）就介紹了激光在制造先進發(fā)動機的過程中的應(yīng)用，它基本上涉及到了整個生產(chǎn)過程。激光技術(shù)在短短幾十年內(nèi)就推廣應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信、國防和科學(xué)技術(shù)的各個方面。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)見到受激輻射光放大器誕生，也就是激光產(chǎn)生的可能性。由此可見，激光沖擊具有十分廣泛的應(yīng)用前景。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。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。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。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波是由等離子體所產(chǎn)生的。當應(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。從而進一步誘發(fā)向金屬內(nèi)傳播的沖擊波。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] 。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。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]。 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)。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。 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。從而實現(xiàn)板料的彎曲變形[17]。60年代后期，美國俄亥俄州的巴特爾紀念學(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。利用的是激光與材料之間的熱效應(yīng)[21]。沖擊波壓力模型有很多，他們都認為激光輻射均勻，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。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。，需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。應(yīng)該指出這部分工作決不是輕而易舉的。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。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。數(shù)值模擬軟件在開始階段一般采用單一坐標，或采用拉格朗日坐標或采用歐拉坐標，由于這兩種坐標自身的缺陷，計算分析問題的范圍都有很大的限制[24]。當一束高功率、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]。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。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。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)。(2)在等離子體一維流動假設(shè)前提下，當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。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。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)。固體中的應(yīng)力波通常分為縱波和橫波兩大類。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。當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。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。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。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]。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。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。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?shù)竭_一定值時在隨時間衰減，大致是一個三角波。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。 放大的變形圖其次，在5000ns結(jié)束后顯示最后的云紋圖。單元的應(yīng)力在沖擊波加載結(jié)束后隨著時間呈振動變化，但是應(yīng)力的絕對幅值逐漸減小，趨于穩(wěn)定，這是由于應(yīng)變彈塑性加載波在傳播過程中是以波速較快的彈性波為前驅(qū)，然后尾隨波速較慢的塑性波，在傳播過程中存在有追趕卸載和迎面卸載等問題。、峰值壓力為3GPa、波型為三角波的激光沖擊在1010mm的純鋁模型左上側(cè)的過程，沖擊時間為5000ns，我們每隔