【正文】 激光能量，在極短時(shí)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。由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波峰值應(yīng)力大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度,從而使板料產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯(cuò)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(yīng)力,從而提高金屬零件的強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命[9]。如美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室材料和制造分部的實(shí)驗(yàn)表明,一種典型的風(fēng)扇葉片高周疲勞強(qiáng)度為690Mpa,受小的外來物損傷其疲勞強(qiáng)度降低到140Mpa[15]。1979年，CLAUER等對(duì)不同時(shí)效狀態(tài)下的鋁合金進(jìn)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(yàn)材料及其材料的時(shí)效狀態(tài)有密切的關(guān)系。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]。由于人們的努力，目前已發(fā)展了許多數(shù)值計(jì)算方法。目前在激光沖擊效應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域主要的數(shù)值模擬方法包括有限單元法、有限差分法、有限體積法等。為克服這種缺陷，采用了三種方法：（１）兩個(gè)程序簡(jiǎn)單組合，如CTHEPIC，爆炸與侵徹由不同的程序分開計(jì)算；（２）在同一程序中采用多種坐標(biāo)體系，如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐標(biāo)，其后的LSDYNA3D除原有類型外，新加了歐拉方法及拉格朗日與歐拉耦合方法，并且又發(fā)展的DYTRAN則是拉格朗日型的LSDYNA3D與歐拉型的PISCE的整合體；（３）采用新的計(jì)算方法，如由求解線性問題進(jìn)展到分析非線性問題。由于此沖擊波源于激光等離子體對(duì)空氣的高速壓縮，所以稱它為激光等離子體沖擊波。由此得出激光脈沖結(jié)束時(shí)沖擊波峰值壓力的估算式: PmaxGPa=+ ()這里Pmax為沖擊波峰值壓力，I0為激光功率密度，α為激光與靶材的相互作用效率。σx與εx的關(guān)系式在彈性階段和塑性階段不同，為此先要計(jì)算在一維應(yīng)變狀態(tài)下表示的初始屈服條件。如果擾動(dòng)傳播方向和介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向平行稱為縱波，如果方向垂直則稱為橫波。 有限元法概述有限元法（Finite Element Method）是一種高效能、常用的計(jì)算方法。激光沖擊在金屬上的應(yīng)力波是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，研究激光沖擊金屬的方法有理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。下圖為Amplitude命令定義的沖擊波載荷曲線。云紋圖的左邊會(huì)顯示應(yīng)力值的范圍，不同的顏色代表不同的應(yīng)力值范圍，最后形成的顏色圖樣就可以比較清晰地顯示出整個(gè)應(yīng)力波傳播結(jié)果的分布情況。最終得到5000ns后的云圖。這種作用一直持續(xù)到室溫，結(jié)果在常溫下厚壁部分受拉應(yīng)力，薄壁部分受壓應(yīng)力。收縮應(yīng)力一般不大，多在打箱后消失。我們將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。因此有σx∝E ()其次，由沖擊動(dòng)力學(xué)原理得：只有當(dāng)沖擊壓力PmaxσYCD時(shí)，材料才會(huì)發(fā)生塑性形變。實(shí)驗(yàn)測(cè)量法中有種子衍射、X射線衍射等等。在共析轉(zhuǎn)變以后，不再產(chǎn)生相變些力。鑄件逐漸冷卻，當(dāng)薄壁部分進(jìn)入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時(shí)，壓應(yīng)力使厚壁部分產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)變厚，而薄壁部分只是彈性拉長(zhǎng)，這時(shí)拉壓應(yīng)力隨厚壁部分變厚而消失。具體內(nèi)容如下：，主要從激光與材料相互作用、等離子體的形成等方面進(jìn)行討論。對(duì)于所得的結(jié)果，有變形圖，云紋圖，每一幀的云紋圖等等。 應(yīng)力的加載和邊界條件的約束對(duì)于強(qiáng)激光沖擊靶材所產(chǎn)生的沖擊波壓力的估算．THORDTHORSLULLD等進(jìn)行了較為深入的研究，針對(duì)為提高激光沖擊波峰壓而廣泛采用的約束模式，F(xiàn)ABBRO等人對(duì)靶材表面的沖擊波峰值壓力進(jìn)行了估算：Pmax=+312Z12I012 ()本章中，所設(shè)參數(shù)值如下：ξ為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù)，取ξ=；I0為入射激光功率密度，I0=1．1GWcm2：z(gcm2s1)為靶材與約束層的合成沖擊波聲阻抗，定義為：2Z=1Ztarget+1ZK9glus ()106g/cm2s。作為通用的模擬工具， ABAQUS 除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、振動(dòng)與聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透/應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。MISES準(zhǔn)則：(σxσy)2+(σyσz)2+(σz+σx)2=2σs2 ()TRESCA準(zhǔn)則：maxσxσy2,σyσz2,σzσx2=σs2 ()其中，σs為屈服應(yīng)力。該過程中瞬態(tài)彈塑性加載與彈塑性卸載共存，同時(shí)還伴隨著復(fù)雜的應(yīng)變率效應(yīng)和邊界效應(yīng)。在激光脈沖加熱過程中，被涂層吸收的激光能量一部分用來增加等離子體的內(nèi)能，另一部分用來打開界面做功，則得到激光脈沖為矩形波時(shí)，有如下峰值壓力估算式:PmaxGPa=+3Zgcm2s1I0GWcm2 ()式中:Z為折合阻抗（常數(shù)），a為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能部分的系數(shù)，I0為激光功率密度。 約束模型下等離子體傳播的一維模型[26]后來激光沖擊采用約束模式(采用吸收層加約束層的布置)，使激光沖擊波峰值壓力提高數(shù)倍(與非約束模式相比)。溫度還不十分高的等離子體對(duì)激光部分透明，通過自調(diào)整體機(jī)制維持近于不變的光學(xué)厚度。2）近年來數(shù)值模擬方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流等求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問題。這種方法在有限的情況下是可行的，但是過多的簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致過大的誤差，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。因此，在自動(dòng)制造業(yè)中有很好匹配性，比如在生產(chǎn)線上，兩束激光同時(shí)沖擊一個(gè)工件相對(duì)區(qū)域的情形也時(shí)常可以見到。 激光沖擊波的研究20世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者開始對(duì)調(diào)Q激光照射在金屬靶材上產(chǎn)生的應(yīng)力波產(chǎn)生興趣，并對(duì)其應(yīng)用做了初步探索。在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的工程應(yīng)用方面,美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化時(shí)代。在此過程中,由于有能量吸收層本身的“犧牲”作用,保護(hù)了工件表面不受到激光的熱損傷,而約束層的存在大大提高了激光沖擊波的壓力和作用時(shí)間,這也就實(shí)現(xiàn)了把激光束的光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機(jī)械能。而激光沖擊處理技術(shù)是繼激光熱處理、激光非晶化及激光毛化等處理技術(shù)之后，國(guó)際上近年來迅速發(fā)展起來的一種新型材料表面改性技術(shù)。1958年美國(guó)科學(xué)家TOWNES和SCHAWLOW提出在一定的條件下，可將這種微波受激輻射放大器的原理推廣到光波波段，制成受激輻射光放大器（Light amplification stimulated emission of radiation,縮寫為L(zhǎng)aser）。最后形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)顯示材料表面的殘余應(yīng)力并不是最大的，沿著激光沖擊方向的殘余應(yīng)力先增大至最大值再逐漸衰減直至穩(wěn)定。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書課題名稱激光沖擊對(duì)小孔疲勞壽命的影響學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)姓 名追風(fēng)少年學(xué) 號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容:根據(jù)課題進(jìn)行調(diào)研、收集國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，其中外文資料至少3篇以上，書寫開題報(bào)告。關(guān)鍵詞：激光沖擊；沖擊波；數(shù)值模擬；殘余應(yīng)力場(chǎng)AbstractMany applications and enormous benefits from laser Peening have been demonstrated in a lot of fields like enhance the properties of the metal surface，changing the surface fatigue life，Perforation and so on. Stress wave induced by laser peening is material modification of the energy source. Shock wave induced by laser is generated by plasma. The plasma expands outward in a certain form, as the role of the plasma and the subsequent results of the laser makes laser plasma against the direction of development, we can name this a certain speed to leave the target facing the direction of motion of the plasma laser supported absorption wavelength of the laser.This thesis schedule to take the laser parameters and metal templates(Take the metal template material herein as aluminum.), using ABAQUS finite element analysis software to simulate the impact of formulation parameters on the shock wave generated on the metal template wave type ,the relationship of the frequency and intensity changes with time to the laserinduced shockwave for numerical simulations. After the laser shock, use ABAQUS to simulate the residual stress field in the material.From the resulting imagery and XY table can be seen, Laser shock wave propagation in the material gradually stabilized after the residual stress field display residual stress is not the largest on the surface. Along the direction of laser shock residual stress first increases to a maximum and then gradually decreases until stable.KEYWORDS: Laser Peening，Shockwave，Numerical Simulation，Residual stress field中文摘要 I英文摘要 II目錄第一章 緒論 1 激光技術(shù)的背景和發(fā)展 1 激光技術(shù)的背景 1 激光的應(yīng)用 1 激光沖擊處理的機(jī)理 3 激光沖擊技術(shù)的發(fā)展 4 激光沖擊波的研究 7 數(shù)值模擬技術(shù) 8 數(shù)值模擬技術(shù)概述 8 數(shù)值模擬技術(shù)的背景和發(fā)展 9 第二章 激光沖擊波的傳播及其動(dòng)態(tài)模擬 11 激光沖擊波概述 11 激光沖擊波的力學(xué)效應(yīng) 12 一維應(yīng)變的本構(gòu)模型 14 激光沖擊波在材料中的傳播 16 有限元法概述 18 有限元法的背景和發(fā)展 19 ABAQUS有限元分析軟件簡(jiǎn)介 20 激光沖擊鋁板有限元模型的建立 20 模型建立 20 設(shè)置分析步 21 應(yīng)力的加載和邊界條件的約束 21 網(wǎng)格的劃分 23 動(dòng)態(tài)模擬 24 本章小結(jié) 27 第三章 激光誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力及其分析 29 材料殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成 29 殘余應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展歷程 30 殘余應(yīng)力的估算 30 穩(wěn)定殘余應(yīng)力場(chǎng) 33 本章小結(jié) 34 第四章 總結(jié)與展望 35 35 展望 35 參考文獻(xiàn) 37 致謝 39 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書第一章 緒論激光沖擊，就是利用高功率密度、短脈沖激光束輻射金屬表面。1960年7月美國(guó)的MAIMAN宣布制成第一臺(tái)紅寶石激光器（Ruby Laser）。激光沖擊處理能夠使零件表層材料的亞結(jié)構(gòu)得到改善并產(chǎn)生有益殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)硬度和強(qiáng)度，增加抗應(yīng)力腐蝕能力，延長(zhǎng)零件的疲勞壽命。產(chǎn)生激光沖擊波的物理機(jī)制一般認(rèn)為有兩種：,它起源于靶體表面快速地吸收激光脈沖能量所造成的熱膨脹和巨大的應(yīng)力梯度；,它起源于迅速蒸發(fā)與膨脹的高溫等離子體蒸汽對(duì)靶