【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 合金以及 5086H32 和 6061． T6鋁合金焊接區(qū)等進(jìn)行了激光沖擊處理，大大提高了這些材料的硬度、強(qiáng)度和耐疲勞性能。 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。與此同時(shí)，美國(guó)洛克希德喬治亞公司在對(duì) 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(kuò)展抗力。 BANAS 也特別研究了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì) 18Ni合金鋼焊接區(qū)的硬度和疲勞強(qiáng)度的影響。 1979年以后， 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 法國(guó)、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也加人到激光沖擊處理試驗(yàn)研究的行列，大大促進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)向航空工業(yè)的推廣 [20]。 激光沖擊強(qiáng)化處理的特點(diǎn)和長(zhǎng)處：與噴丸、擠壓等傳統(tǒng)強(qiáng)化工藝相比，激光沖擊強(qiáng)化處理技術(shù)具有 一系列優(yōu)點(diǎn)。 正是這些優(yōu)點(diǎn)使得有關(guān)該技術(shù)的研究進(jìn)一步廣泛和深入。在典型的激光材料加工 (如激光切害、激光合金化與涂覆、激光焊接等 )過程中激光作為一種熱輸出直接作用在材料上。利用的是激光與材料之間的熱效應(yīng) [21]。 激光沖擊強(qiáng)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(dòng)沖擊波作用在材料上，作用在材料上的是力學(xué)效應(yīng)。激光沖擊強(qiáng)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(shí)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(yīng)而引起的顯微組織變化亦可忽略。因而，在合適激光參 數(shù)下，激光沖擊強(qiáng)化處理對(duì)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。激光沖擊強(qiáng)化處理用于局部區(qū)域強(qiáng)化，可在空氣中直接進(jìn)行，對(duì)工件尺寸、形狀及所處環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，工藝過程簡(jiǎn)單，控制方便靈活。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)?？梢砸姷?。使用分光裝置，一個(gè)激光器可以對(duì)多部位進(jìn)行同時(shí)加工。 激光沖擊強(qiáng)化模型包括沖擊波壓力模型、殘余應(yīng)力模型以及應(yīng)力－應(yīng)變輸出模型。沖擊波壓力模型有很多，他們都認(rèn)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(qiáng)化中采用一維壓力近似估算公式及計(jì)算沖擊波壓力。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]。 對(duì)殘余應(yīng)力的分析大多采用有限元方法， BRAISTED 首次引入有限元方法計(jì)算激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力，隨后提出了軸對(duì)稱模型用以計(jì)算激光噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(qiáng)度曲線，此模型與 12Cr 鋼和 7075T7351 鋁合金的試驗(yàn)結(jié)果符合良好。 Hu 等人采 用簡(jiǎn)化模型模擬重疊沖擊強(qiáng)化的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布。 MORALES 等人提出了殘余應(yīng)力優(yōu)化系統(tǒng)，將殘余應(yīng)力場(chǎng)與激光參數(shù)之間形成定量關(guān)系，以其達(dá)到最佳強(qiáng)化效果 [23]。 在激光沖擊強(qiáng)化中，沖擊波壓力是隨著時(shí)間變化的幅值，應(yīng)變率很高，可達(dá)106s1，所以在模型中引入以下假設(shè)：材料是理想彈塑性體，所有的塑性變形發(fā)生在統(tǒng)一應(yīng)變率下。在計(jì)算激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)力時(shí)有必要引入溫度場(chǎng)的影響，同時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)表層能量吸收率有影響， THORSLUND 等人提出考慮激光輻射和溫度在工件上分布的溫度模型，與實(shí)際輻射量相比，輻射率對(duì)材料溫度的影響 更大。 數(shù)值模擬技術(shù) 數(shù)值模擬技術(shù)概述 數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬。它以電子計(jì)算機(jī)為手段，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展， CAD/CAM/CAE 技術(shù)日趨成熟，計(jì)算機(jī)應(yīng)用遍及各 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 類工程和技術(shù)研究領(lǐng)域。有限元軟件是數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)完美融合的結(jié)晶，在能源、冶金、制造、國(guó)防軍工等諸多領(lǐng)域均得到極為廣泛的使用 [24]。 數(shù)值模擬包含以下幾個(gè)步驟： （ 工程問題 、物理問題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說就是 要建立反映問題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。沒有正確完善的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬就無從談起。 牛頓型流體 流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型就是著名的納維 — 斯托克斯方程 （簡(jiǎn)稱方程）及其相應(yīng)的定解條件。 ，需要解決的問題是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。由于人們的努力，目前已發(fā)展了 許多數(shù)值計(jì)算方法 。計(jì)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(biāo) 的建立，邊界條件的處理等。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。 ，就可以開始 編制程序和進(jìn)行計(jì)算。實(shí)踐表明這一部分工作是整個(gè)工作的主體，占絕大部分時(shí)間。由于求解的問題比較復(fù)雜，比如方程就是一個(gè)非線性的十分復(fù)雜的方程，它的數(shù)值求解方法在理論上不夠完善，所以需要通過實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證。正是在這個(gè)意義上講，數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗(yàn)。應(yīng)該指出這部分工作決不是輕而易舉的。 ，大量數(shù)據(jù)只能通過圖像形象地顯示出來。因此數(shù)值的圖像顯示也是一項(xiàng)十分重要的工作。 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(dòng)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(gè)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。這些方程只有在極其簡(jiǎn)化情況下才可以得到一些解析解，一般只限于包含兩個(gè)自變量的平面問題。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。 隨著科學(xué)與生產(chǎn)的發(fā)展，解析解已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合要求，人們把注意力轉(zhuǎn)向數(shù)值解，因?yàn)閿?shù)值解對(duì)方程組的限制寬得多，可以得到更接近實(shí)際情況的解。因此，人 們?cè)?廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物 —— 計(jì)算機(jī)來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)。 數(shù)值模擬是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。 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。 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(shí)間域，用差分近似替代控制方程中的微分，進(jìn)行近似的數(shù)值解，有限差分方法在流體力學(xué)和爆炸力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。有限元方法是先將連續(xù)的求解域分解成有限個(gè)單元，組成離散化模型，然后求其近似的數(shù)值 解。 有限元包括結(jié)構(gòu)有限元和動(dòng)力有限元，動(dòng)力有限元適合于計(jì)算邊界形狀復(fù)雜或者包含物質(zhì)界面的強(qiáng)動(dòng)載問題計(jì)算，便于編制通用程序，在沖擊問題的模擬計(jì)算方面得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。有限體積法是在物理空間將偏微分方程轉(zhuǎn)化為積分形式，然后在物理空間中選定的控制體積上把積分形式守恒定律直接離散 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 的一類數(shù)值方法，適用于任意復(fù)雜幾何形狀的求解區(qū)域，是在吸收了有限元方法中函數(shù)的分片近似的思想，以及有限差分方法的一些思想發(fā)展起來的高精度算法，目前已在復(fù)雜區(qū)域的調(diào)整流體力學(xué)數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。 目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模 擬方法有： 有限單元法： ANSYS、 NASTRAN、 ABAQUS、 MARC 邊界元法： Examine2D、 Examine3D 離散單元法： UDEC、 3DEC、 PFC 有限差分法： FLAC3D、 FLAC2D 但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。 可以說，繼理論分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，數(shù)值模擬已成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要手段之一。隨著軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)際上數(shù)值模擬軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)： 1）由二維擴(kuò)展為三維。早期計(jì)算機(jī)的能力十分有限，受計(jì)算費(fèi)用和計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存能力的限制，數(shù)值模擬程序 大多是一維或二維的，只能計(jì)算垂直碰撞或球形爆炸等特定問題。隨著第三代、第四代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，才開始研制和發(fā)展更多的三維計(jì)算程序?，F(xiàn)在，計(jì)算程序一般都由二維擴(kuò)展到了三維，從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問題。數(shù)值模擬分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值模擬方法。 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。例如內(nèi)爆炸時(shí)，空氣沖擊波使墻、板、柱產(chǎn)生變形，而墻、 板、柱的變形又反過來影響到空氣沖擊波的傳播，這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬結(jié)果交叉迭代求解。 3）從單一坐標(biāo)體系發(fā)展多種坐標(biāo)體系。數(shù)值模擬軟件在開始階段一般采用單一坐標(biāo)，或采用拉格朗日坐標(biāo)或采用歐拉坐標(biāo)，由于這兩種坐標(biāo)自身的缺陷，計(jì)算分析問題的范 圍都有很大的限制 [24]。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。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。諸如巖石、土壤、混凝土等，僅靠線性計(jì)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。眾所周知，非線性的數(shù)值模擬是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。 為此，近年來國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和資金，開發(fā)了諸如LSDYNA3D、 ABAQUS 和 AUTODYN 等專長(zhǎng)求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫(kù)。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 第二章 激光沖擊波的 傳播及其動(dòng)態(tài)模擬 激光沖擊波概述 激光沖擊波是利用高功率短脈沖激光輻照靶材 , 產(chǎn)生高溫高壓等離子體從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的高壓沖擊波。 當(dāng)一束高功率、短脈沖 (ns量級(jí) ) 激光作用到金屬材料表面時(shí) , 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(shí)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(gè)高壓沖擊波 , 并在材料表面或內(nèi)部施加一壓力 [25]。 激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)及力效應(yīng)對(duì)應(yīng)著激光沖擊波的兩種不同的產(chǎn)生機(jī)制 : (1)熱沖擊引起的沖擊波，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 ； (2)機(jī)械沖擊引起的沖擊波，它起源于迅速蒸發(fā)與膨脹的高溫等離子體對(duì)靶體的反沖壓力。 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(jī)制。在激光沖擊處理的過程中， 脈沖為 ns量級(jí)的激光束輻射到材料表面的吸收層時(shí)，常常輻射僅幾十納秒后即有 激光吸收區(qū)形成，這時(shí)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(duì)應(yīng)于爆轟波的形成。等到吸收層汽化完全成為等離子體后，激光與物質(zhì)相互作用反映在激光與等離子體中靜電波及離子聲波的各種禍合散射現(xiàn)象。 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。溫度很高的等離子體對(duì)激光又變成透明，入射激光直接作用于發(fā)生共振吸收等反常機(jī)制的臨界密度面，形成以極高速度和壓力向靶材內(nèi)部傳播的激光支持的爆轟波，這是激光等離子體沖擊波產(chǎn)生的根源。激光功率密度越大、脈沖能量越高，所 形成的爆轟波越強(qiáng)。激光支持的爆轟波以超音速逆著激光方向發(fā)展，此時(shí)等離子體速度可達(dá)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(duì)周圍空氣的快速高壓的壓縮在極短的時(shí)間內(nèi)即能在空氣里產(chǎn)生沖擊波。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。 激光支持的爆轟波（如圖 ）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(shí)等離子體的溫度、壓力都極高，向外膨脹的速度極大。根據(jù)沖擊波的形 成原理，這種等離子體對(duì)周圍空氣的快速高壓的壓縮在極短的時(shí)間內(nèi)即可在空氣里產(chǎn)生沖擊波。由于此沖擊波源 于激光等離子體對(duì)空氣的高速壓縮，所以我們稱它為激光等離子體沖擊波。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 圖 LSD和 LSC[25] 因此所形成的激光等離子體沖擊波向四面八方進(jìn)行傳播，但是大體分為兩部分，一部分向靶材內(nèi)部傳播，一部分向靶材外部，即在空氣中傳播。為了使得沖擊波更多的作用于靶材，更好的提高靶材的性能，因此普遍采用約束模型。 由于激光與物質(zhì)的相互作用總需要一個(gè)過程來完成，激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波也有一個(gè)從形成到衰減的復(fù)雜過程。 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(zhǎng)、脈寬、光斑尺寸、激光模式等諸多因素。 根據(jù)沖擊方式的不同，激光沖擊分為兩種物理類型。一種是非約束模型，一種是約束模型。 圖 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