【正文】 選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材由于應力波作用所產(chǎn)生的動力學響應。建立模型時應注意尺寸，以免模型過大或過小對沖擊效果有影響。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。目前，模型中的沖擊波峰值壓力采用的是約束模式，因此本節(jié)只探討約束模式下的沖擊波壓力。激光沖擊波壓力值在整個作用時間內并不相等，是隨時間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為準高斯分布形式。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： （）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: （）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超過材料的動態(tài)抗拉強度，即： （）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: （）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: （）如圖2. 1 所示, 薄板在x 軸方向受均勻分布的拉應力R0 作用, 板中有一直徑為d 的小圓孔。因此, 一般情況下, 激光脈沖寬度應在幾個納秒到幾十納秒之間。圖中A點為疲勞源, 白色箭頭為擴展方向, 白線范圍內為疲勞裂紋擴展區(qū)。在循環(huán)載荷作用下, 裂紋擴展進入第二階段。( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋。( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋。兩者的主要區(qū)別在于由于疲勞紋擴展形式的不同帶來的疲勞擴展區(qū)面積的差異和殘余應力的有無, 斷裂時的真實應力有所不同。由于疲勞源區(qū)最早形成，且裂紋擴展速率緩慢，擴展步長較小，而且，由于裂紋閉合效應，兩個匹配斷口反復張開與閉合，不斷摩擦使得源區(qū)的光澤較亮、粗糙度較小。激光沖擊樣對應平均應力96．9MPa卜疲勞斷口不同區(qū)域祖糙度。這說明，激光沖擊強化處理改變了裂紋擴展方向抑制了裂紋擴展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。同時也感謝培養(yǎng)了我4年之久的母校，教會了我許多知識以及各種做人的態(tài)度，當然也要感謝我的父母，沒有你們的支持我不會走到今天。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。從表5．7和圖5．15中可以看出，①四種不同處理狀態(tài)下的疲勞斷口沿裂紋擴展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因為裂紋擴展的不同階段試樣承受載荷水平不同所致，與上述理論分析一致；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)生了殘余壓應力，高密度位錯及晶粒細化，這些都抑制了裂紋擴展速度，裂紋擴展步長減小，因此表現(xiàn)出粗糙度變??；③對于同一處理狀態(tài)不同載荷下，即未沖擊處理試樣不同載荷下或激光沖擊處理試樣在不同載荷下，在96．9MPa下所對應的疲勞斷口三個區(qū)域粗糙度均小于106．6MPa所對應的疲勞斷口。當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，試樣出現(xiàn)瞬斷，瞬斷所形成的區(qū)域即為瞬斷區(qū)，斷面起伏較大，其特征與靜載拉伸斷口較為相似。 而在激光沖擊強化試樣上, 由于殘余應力的作用, 最終斷裂速度變慢, 在斷口上揭示出原材料的一些晶體特征, ( b) 上可以看到許多細小的韌窩分散在斷口上,這與試驗材料的金相組織相吻合。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample由于本實驗加載應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變狀態(tài), 產(chǎn)生的應變包括彈性應變量和塑性應變量。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample 為疲勞裂紋擴展第二階段后期的典型照片。( a) 為未經(jīng)激光沖擊強化的試樣, 從圖中可以看到, 疲勞紋相互平行且具有規(guī)則間距,裂紋擴展速率較大, 同時在擴展初期就可以觀察到二次裂紋。( a) 未受沖擊材料的疲勞區(qū)。整個過程中靶體表面及內部的應力場始終在變化，通過abaqus軟件可以清楚地看到整個過程。因而y 軸的應力狀態(tài)直接影響裂紋的形成和擴展。urve of Laser shock wave pressure對于有限單元區(qū)域, 邊界條件是限制對稱軸上節(jié)點沿半徑方向的位移。（）式中彳為吸收系數(shù)，0．800．95；r為等離子體的絕熱指數(shù)，這里取1．67；Zto，Zco知分別為靶材和約束層材料的聲阻抗，單位kg／m2s； Ka和Kc分別為與能量吸收層和約束層密度有關的參量，單位kg／m3；P為等離子體的密度，單位kg／m3，可看作為是約束層材料、能量吸收層和工件材料汽化蒸汽的綜合體；而為激光功率密度，單位W／cm2；pmax為沖擊波壓力峰值，單位Gpa。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，網(wǎng)格較少時，增加網(wǎng)格數(shù)量可以顯著提高計算精度，而計算時間不會有很大的增加。 材料的本構模型材料本構模型是根據(jù)材料及模型的變形情況來選擇的，是綜合考慮的結果。為了以最小的計算機時獲得最終靶材表面及內部的殘余應力場分布, 需要將應用動力顯式算法得到的計算結果導入適合于計算靜態(tài)和自然頻率響應問題的靜力隱式算法模塊進行平衡回彈運算。第二章 疲勞分析的數(shù)值建模激光沖擊工藝復雜，強化效果影響因素較多，完全采用實驗手段研究該工藝費時費力，數(shù)值模擬可以用來預測激光沖擊強化效果，根據(jù)有限元模擬獲得的應力應變結果進一步的疲勞壽命設計，可以在設計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為進一步的實驗研究提供參考。2005年國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機、水輪機的葉片處理，石油管道，汽車關鍵部件減量化等。最近， 等人對航空發(fā)動機葉片進行激光沖擊處理，耐疲勞壽命得到顯著提高。1972 年，美國Battlells Columbus 實驗室的Fairand 鋁合金的顯微結構組織和機械性能，研究表明其屈服強度提高30%。張等人發(fā)現(xiàn)分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會起到更好的沖擊效果。張等人采用改進的黑漆涂層進行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護效果和抗剝離能力效果明顯。 激光參數(shù)A 激光功率密度Fabbro 等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關系其中，Z=1/（Z1+Z2）式中：A—常量；Z1，Z2—材料和約束層的沖擊波阻抗，I—激光功能功率密度。這些焊接接頭的強化是因為激光沖擊使材料內部產(chǎn)生了高密度的位錯。在循環(huán)過程中，發(fā)生了殘余壓應力松弛，使k重新增大，裂紋擴展速率加大，最終導致斷裂。由于沖擊波與材料相互作用，微觀上改變了材料內部顯微結構的分布；宏觀上表現(xiàn)為材料力學性能的改變。機械噴丸成形時, 每個金屬彈丸都以高速撞擊金屬板件的表面, 使受噴表面的金屬圍繞每個彈丸向四周延伸, 金屬的延伸超過材料的屈服極限, 產(chǎn)生塑性變形, 形成壓抗, 從而引起受噴表層的面積加大, 但表層材料的延伸又為內層金屬所牽制, 因而在板件內部產(chǎn)生了內應力, 內應力平衡的結果使板件發(fā)生雙向彎曲變形, 從而使板料成形。直接芯棒擠壓(圖a ) , 可以是拉擠, 也可是壓擠, 二者作用相同, 只是加力方式不同。近年來，隨著高能粒子束的發(fā)展，出現(xiàn)了激光沖擊強化和離子注入表面處理等技術，并且已經(jīng)發(fā)展成為抗疲勞斷裂制造技術的一個重要組成部分。隨著科技的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，延長各種類型產(chǎn)品的服務壽命，以避免突然被破壞所帶來災難的需要越來與迫切。 Fatigue life；Numerical simulation。安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計論文激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響Effect of laser shock processing on fatigue life of fastener hole學院 機械工程學院姓名 專業(yè) 機械設計制造及其自動化設計日期 指導教師 摘 要，對材料進行表面改性或延壽。關鍵詞：激光沖擊處理，疲勞壽命，數(shù)值模擬，殘余應力場，疲勞斷口，鋁合金小孔 ABSTRACTLaser shock modification and lifeextending technology is the use of the laser beam highly concentrated in the direction and energy as a tool for surface modification or extension of the material. The technology make the prehensive use of modern physics. Chemistry