【正文】 。，大量數(shù)據(jù)只能通過圖像形象地顯示出來。由于人們的努力，目前已發(fā)展了許多數(shù)值計算方法。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，CAD/CAM/CAE技術(shù)日趨成熟，計算機應用遍及各類工程和技術(shù)研究領(lǐng)域。為了提高估算模型精度，ZHANG 考慮了等離子體內(nèi)能和等離子體膨脹半徑的影響，提出了新的沖擊壓力估算模型[22]。激光沖擊強化處理則完全不同，激光能量被用來產(chǎn)生等離子體并驅(qū)動沖擊波作用在材料上，作用在材料上的是力學效應。1979年，CLAUER等對不同時效狀態(tài)下的鋁合金進行激光沖擊處理，結(jié)果表明：激光沖擊處理的效果與沖擊條件、試驗材料及其材料的時效狀態(tài)有密切的關(guān)系。而沖擊強化的目的是在提高工件表面質(zhì)量的同時還要防止板料發(fā)生翹曲等宏觀變形。如美國空軍研究實驗室材料和制造分部的實驗表明,一種典型的風扇葉片高周疲勞強度為690Mpa,受小的外來物損傷其疲勞強度降低到140Mpa[15]。 板料激光沖擊成形示意圖[13]由于激光器脈沖能量的限制,沖擊成形中激光光斑的尺寸一般取為Φ5mm～Φ10mm,當板料成形區(qū)域或成形深度較大時,就必須采用多點、多次沖擊(就好比鉗工用小榔頭錘擊板金件),這時要根據(jù)板料成形件的精度分別采用粗沖成形和精沖成形。由于激光誘導產(chǎn)生的沖擊波峰值應力大于材料的動態(tài)屈服強度,從而使板料產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu),使金屬表面發(fā)生塑性變形,在金屬表面層內(nèi)形成殘余壓縮應力,從而提高金屬零件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命[9]。 激光沖擊技術(shù)的發(fā)展早在20世紀60年代,一些研究人員就發(fā)現(xiàn)用脈沖激光作用在材料表面可以在固體中產(chǎn)生一定的沖擊波。當短脈沖(幾十納秒)、高功率密度(109Wcm2)的強激光透過透明約束層，作用于覆蓋材料表面的能量吸收層時，能量吸收層充分吸收激光能量，在極短時間內(nèi)汽化電離形成高溫(10000K)、高壓(1GPa)的等離子體，該等離子體迅速膨脹向外噴射?？梢院敛豢鋸埖恼f，現(xiàn)代社會的方方面面已經(jīng)與激光的應用密不可分[4]。由一開始的紅寶石激光器到現(xiàn)在的飛秒激光器等等先進的激光器[3]。由于約束層的作用，金屬蒸汽被限制在金屬表面，金屬氣體繼續(xù)吸收激光輻射能量，發(fā)生爆炸，體積急劇膨脹，甚至產(chǎn)生由激光能量支持的等離子體，形成向金屬內(nèi)部傳播的應力波。激光沖擊能夠改善金屬材料的強度，耐磨性和耐腐蝕性等等，特別是能有效地提高金屬材料的疲勞壽命。等離子體以一定的形式向外膨脹，由于等離子體和后續(xù)激光的作用的結(jié)果使得等離子體逆著激光發(fā)展方向,可以稱這種以一定速度離開靶面向著激光器方向運動的等離子體為激光支持的吸收波。再利用ABAQUS有限元分析軟件對所建的模型進行動態(tài)分析，根據(jù)結(jié)果得出XY表。再利用ABAQUS有限元分析軟件對所建的模型進行殘余應力分析，根據(jù)結(jié)果得出XY表。本論文是通過對激光參數(shù)、金屬模板（本文中金屬模板材料取定為純鋁）的取定，利用ABAQUS有限元分析軟件來模擬制定參數(shù)沖擊在金屬模板上產(chǎn)生的沖擊波的波型、強度隨時間頻率變化的關(guān)系等來對激光誘導產(chǎn)生的沖擊波進行數(shù)值上的模擬。激光沖擊還可以應用于核聚變研究、激光武器研究、材料的改性研究、沖擊相變研究以及提高疏松材料密度等等[1]。 激光技術(shù)的背景和發(fā)展 激光技術(shù)的背景激光是20世紀人類的重大科技發(fā)明之一，它對人類的生活產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。 激光的應用這期間激光的理論與應用研究有了極大的發(fā)展，它作為高科技的研究成果，不僅廣泛應用于科學技術(shù)研究的各個前沿領(lǐng)域，而且已經(jīng)在人類生產(chǎn)和生活的諸多反面都得到了大量的應用，與激光相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已在全球形成了超過千億美元的年產(chǎn)值。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對機械零部件的要求也越來越高，其使用環(huán)境也變得越來越苛刻，許多機械結(jié)構(gòu)必須在高壓、高溫、高磨損和高腐蝕的外部條件下使用。由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束限制，導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。為了獲得高強沖擊波壓力,人們對“直接燒蝕”模式進行了改進,即在激光沖擊前,先在材料表 面涂覆一層能量吸收層(如黑漆),再在其上覆蓋一層對激光透明的約束層(如水簾),形成“約束燒蝕”模式[8]。激光沖擊強化技術(shù)的研究源于1972年,美國Columbus實驗室的FAIRAND等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織和機械性能,研究表明7075鋁合金材料經(jīng)激光沖擊后,其屈服強度提高30%[10]。由于激光的脈沖能量、光斑尺寸及脈沖間隔寬度等參數(shù)精確可控,通過數(shù)控系統(tǒng)控制激光沖擊頭和板料的相對運動軌跡，可實現(xiàn)單次沖擊板料局部成形,也可實現(xiàn)對板料的逐點/逐次沖擊，使其逐步變形,實現(xiàn)逐點沖擊大面積成形,因而能成形出復雜的工件形狀[13]。然而,這種葉片進行激光噴丸沖擊強化后,受到大的外來物損傷后其疲勞強度仍保為690Mpa。激光噴丸成形原理就是利用超短脈沖激光束替代有質(zhì)彈丸,和材料相互作用產(chǎn)生的沖擊波壓力在金屬板料表面產(chǎn)生深度分布的高幅殘余壓縮應力,適度分布的應力場形態(tài)對應著一定曲率的板材形狀,通過控制應力場分布形式,實現(xiàn)板材的精密彎曲成形[18]。與此同時，美國洛克希德喬治亞公司在對7075．T6和7475．173鋁合金的激光沖擊處理中也發(fā)現(xiàn)，激光沖擊處理能有效提高鋁合金的抗疲勞和裂紋擴展抗力。激光沖擊強化處理采用的激光脈沖寬度僅幾十納秒甚至更窄，激光與材料作用時間極短，加之在材料表面涂覆吸收層，使得傳遞到金屬表面的熱量微乎其微，因熱效應而引起的顯微組織變化亦可忽略。對殘余應力的分析大多采用有限元方法，BRAISTED 首次引入有限元方法計算激光沖擊強化殘余應力，隨后提出了軸對稱模型用以計算激光噴丸產(chǎn)生的殘余應力，在模型中綜合考慮了壓力衰減，材料彈塑性以及材料沖擊屈服強度曲線，此模型與12Cr 鋼和7075T7351 鋁合金的試驗結(jié)果符合良好。有限元軟件是數(shù)學、力學及計算機技術(shù)完美融合的結(jié)晶，在能源、冶金、制造、國防軍工等諸多領(lǐng)域均得到極為廣泛的使用[24]。計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。因此數(shù)值的圖像顯示也是一項十分重要的工作。有限差分方法是先建立微分方程組（控制方程），然后用網(wǎng)格覆蓋空間域和時間域，用差分近似替代控制方程中的微分，進行近似的數(shù)值解，有限差分方法在流體力學和爆炸力學中得到廣泛應用。隨著第三代、第四代計算機的出現(xiàn)，才開始研制和發(fā)展更多的三維計算程序。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求。激光沖擊處理中的激光沖擊波產(chǎn)生正是源于以上的第二種機制。激光支持的爆轟波（）以超音速逆著激光方向發(fā)展，根據(jù)已有的研究可知：此時等離子體的溫度、壓力都極高，向外膨脹的速度極大。一種是非約束模型，一種是約束模型。在激光沖擊過程中，來自激光束的整個能量E被分成兩部分。γ 為等離子體的絕熱指數(shù)，；Zt0,Zc0分別為靶材和約束層材料的聲阻抗，單位kgm2s，KαKc分別為與能量吸收層和約束層密度有關(guān)的參量；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；I0為激光功率密度，單位Wcm2時；Pmax為沖擊波壓力峰值，單位GPa。在彈性階段，本構(gòu)關(guān)系為：σx=λθ+2μεx=λεx+2μεx=λ+2μεx () σy=σz=λθ+2μεy=λ+2μεx ()σy=σz=λλ+2μσx=K23GK+23Gσx=ν1νσx ()帶入初始屈服條件σxσy=σs得到：σx=λ+2μ2μσs=K+43G2Gσs=1ν12νσs=σH ()σH稱為側(cè)限屈服條件或HUGINIOT彈性極限。對于一維應變波的一個顯著特點，在理想塑性介質(zhì)中，當尚加載方向的應力尚未卸載到零時，就可能開始反向屈服；當加載方向的應力繼續(xù)減小時，將發(fā)生反向塑性加載波；彈性卸載波與正向塑性加載波相遇時，將產(chǎn)生反射波，它與反向塑性加載波相遇，將引起迎面卸載?？v波又包括加載波和卸載波。由于側(cè)向應力與縱向應力同號，在激光誘導等離子體沖擊壓力作用下，材料將處于三向應力狀態(tài)，這是激光沖擊在材料表面形成側(cè)向殘余壓應力場的原理。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以它廣泛地應用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中（這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯(lián)系）。有限元法的運用步驟大概如下：步驟1：剖分:將待解區(qū)域進行分割，離散成有限個元素的集合．元素（單元）的形狀原則上是任意的．二維問題一般采用三角形單元或矩形單元，三維空間可采用四面體或多面體等．每個單元的頂點稱為節(jié)點（或結(jié)點）．步驟2：單元分析:進行分片插值，即將分割單元中任意點的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點上的函數(shù)值展開，即建立一個線性插值函數(shù)步驟3：求解近似變分方程用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數(shù)值方法。理論研究可以抓住問題的本質(zhì)，為實驗和數(shù)值模擬提供建設(shè)性的意見，然而理論研究做了過多的簡化，結(jié)果十分粗糙。它將分析仿真在產(chǎn)品開發(fā)周期的地位提升到新的高度。在一個非線性分析中， ABAQUS 能自動選擇相應載荷增量和收斂限度。所建模型如下： 有限元模型的建立由于我們采用的是純鋁，所以我們對參數(shù)設(shè)定為：彈性模量（YOUNG’S MODEULE）：70e9材料密度（MASS DENSITY）:2780泊松比（POSSION’S RATIO）:表21 Plastic中參數(shù)設(shè)定ABNmMelting tempTransition temp386e6692e6193520 設(shè)置分析步分析步就是設(shè)置之后所有作用在模型上的過程。 激光波型的輸入對于邊界條件我們只需要對模型的左側(cè)邊界以及下側(cè)邊界進行約束。以下分析運用的是正方形網(wǎng)格。： 模型云紋圖再次，在ABAQUS的后處理器中，可以顯示激光誘導的沖擊應力波在模型中的傳播過程。接下來，我利用tool工具來對激光沖擊各種深度激光沖擊波的情況進行線性的分析。得到的結(jié)論是500ns后應力波傳播趨于穩(wěn)定，直到5000ns時應力波傳播基本穩(wěn)定。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。這個應力是由于各部分薄厚不同。同時有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應力。 殘余應力場的發(fā)展歷程1970年,美國BATLELL實驗室首次進行了激光沖擊7075鋁合金表面處理的研究。約束層(水簾)的作用是阻礙等離子體的膨脹,增強與激光能量的耦合,提高沖擊波的壓力[31]。 激光沖擊模型的簡圖如圖所示，激光對模型產(chǎn)生的沖擊波峰壓力為Pmax，假設(shè)其在模型上表面均勻分布，且模型為理想的彈塑性材料，在激光沖擊的過程中產(chǎn)生彈塑性的形變，并且在卸載過程中只有彈性卸載，不產(chǎn)生塑性變形。首先，有彈性力學原理可知 ε=σE () 因此，材料的彈塑性相變ε與彈性模量E呈反比。因此，y方向收到一定的沖擊壓力時，如果材料的彈性模量大，形變體周邊材料越接近剛體，那么，形變體在x方向上的殘余壓應力也就相應越大，則殘余應力的影響就越大。沖擊波的壓力是隨著其傳播距離而衰減的，應力分布也是會隨著沖擊波的衰減而變化。 殘余應力的估算激光沖擊強化形成的殘余應力分布復雜多變，目前對于殘余應力的描述主要有實驗測量、數(shù)學估算和計算機模擬。等離子體繼續(xù)強烈的吸收激光能量直到沉積時間的結(jié)束。相變應力與冷卻過程中產(chǎn)生的熱應力方向相反，相變應力被熱應力抵消。在導軌或側(cè)壁的同一個截面內(nèi)，表層與內(nèi)心部，由于冷卻快慢不同，也產(chǎn)生相互平衡拉壓的應力，用類似與上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應力，心部受拉應力，并且截面越大，應力越大，此應力也叫熱應力。這時鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)，其壓應力使厚壁部分變厚，拉應力使薄壁部分變薄，拉壓應力隨塑性變形而消失。第三章 激光誘導的殘余應力及其分析 材料殘余應力場的形成殘余應力的形成：構(gòu)件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為殘留應力或殘余應力。 本章小結(jié)本章主要介紹了激光沖擊波產(chǎn)生以及處理的原理。應力彩色云圖如下： （a）50ns （b）100ns （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力波。在Visua