【文章內(nèi)容簡介】 的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。具有如下的特點：（1）高壓、高應(yīng)變率。沖擊波峰壓力達到數(shù)萬個大氣壓；應(yīng)變率達到107S1，比噴丸強化高出萬倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性變形時間僅僅幾十納秒。（3）無機械和熱應(yīng)力損傷。激光沖擊強化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，所以無熱應(yīng)力損傷。1972 年，美國Battlells Columbus 實驗室的Fairand 鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織和機械性能，研究表明其屈服強度提高30%。隨后在對2024 T351 鋁合金試件進行激光沖擊試驗中，發(fā)現(xiàn)激光沖擊后表面硬度有較大的提高，如圖 所示；另外實驗還表明，激光沖擊后的在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小及其作用深度較傳統(tǒng)處理方式有很大的改善。在研究了激光沖擊強化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。另外，科研人員擴大研究范圍，對6061T6合金、2024T3 合金、Ti6AL4V 合金進行沖擊，提高其耐疲勞強度，并認(rèn)為表面硬度的提高是由于強化產(chǎn)生的位錯引起的。最近Yilbas 等人研究了純鋁的激光沖擊強化特性，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織也會產(chǎn)生位錯現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)：對18Ni 馬氏體時效鋼的焊縫進行處理后，耐疲勞強度提高17%。Senecha 等人研究了激光誘導(dǎo)的沖擊波在鋁薄片中的傳播，表明數(shù)值模擬可以很好計算激光吸收系數(shù)。激光沖擊強化在中國還處于研究和初步應(yīng)用階段，從事這方面研究的主要有南京航空航天大學(xué)和江蘇大學(xué)。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。在激光沖擊強化技術(shù)的工程應(yīng)用方面，美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)進入了商業(yè)化時代。1995 年美國的Jeff Dulaney 創(chuàng)建激光沖擊處理公司（LSP ）。主要是向業(yè)界提供優(yōu)質(zhì)的LSP 服務(wù)和設(shè)備。同年美國加利福尼亞大學(xué)Lawrence Livermore國家重點實驗室MIC（Metal Improvement .）開發(fā)研制了平均功率為600W、功率為3GW、每鐘能產(chǎn)生10 個脈沖釹玻璃激光器，成功用于噴氣發(fā)動機扇葉的強化，如圖6 所示。1997 年GEAE 公司（通用電氣航空發(fā)動機廠）將激光沖擊強化用于B1B/F101 發(fā)動機葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費9900 萬美元，如圖所示。2002 年，美國MIC 公司將激光沖擊強化用于葉片生產(chǎn)線，如圖 所示，每月可節(jié)約飛機保養(yǎng)費、零件更換費幾百萬美元，隨后擴展應(yīng)用于F16 戰(zhàn)斗機及最先進的F22 戰(zhàn)斗機。據(jù)估計，僅用于軍用戰(zhàn)斗機葉片的處理，美國就可節(jié)約成本逾10 億美元。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(guān)鍵部件減量化等。據(jù)報道僅僅石油管道焊縫的處理就達10 億美元以上的收益。 研究的主要內(nèi)容激光沖擊強化技術(shù)作為一種新的表面處理技術(shù)，能顯著的提高材料的抗疲勞性能。本文選取了先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過實驗與數(shù)值模擬分析研究了不同激光沖擊工藝下小孔區(qū)域的殘余應(yīng)力場及其疲勞性能，并對疲勞斷口進行了相應(yīng)分析，主要工作如下：1. 以ABAQUS軟件為基礎(chǔ)，建立小孔強化數(shù)值模擬的總體方法，建立起激光沖擊參數(shù)一殘余應(yīng)力一疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。對數(shù)值分析過程中的關(guān)鍵問題和相關(guān)設(shè)置進行了處理。2. 定性分析激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，在不同的激光參數(shù)下的疲勞數(shù)值分析，且這些參數(shù)獨立改變，為小孔激光沖擊強化過程中殘余應(yīng)力控制和疲勞性能提供指導(dǎo)。3. 研究激光搭接沖擊強化技術(shù)，同樣進行數(shù)值模擬，對比分析丌孔前后殘余應(yīng)力場的變化，然后在不同疲勞載荷下進行疲勞數(shù)值分析，最后研究疲勞性能。4. 進行激光搭接沖擊處理實驗后對疲勞性能進行分析并從斷口形貌與斷面粗糙度的角度對不同處理狀態(tài)下疲勞斷口進行了相應(yīng)的研究分析。第二章 疲勞分析的數(shù)值建模激光沖擊工藝復(fù)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(yù)測激光沖擊強化效果，根據(jù)有限元模擬獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進一步的疲勞壽命設(shè)計，可以在設(shè)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。本文以ABAQUS軟件為平臺，建立激光沖擊強化前后的疲勞壽命預(yù)測模型，模擬時主要研究激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力場及塑形變形兩者的協(xié)同效應(yīng)，分析其對疲勞壽命的影響機理。 數(shù)值模擬的總體思路 本文基于ABAQOS軟件平臺，采用先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過有限元建模，建立起激光沖擊參數(shù)殘余應(yīng)疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。用不同激光沖擊參數(shù)沖擊強化小孔，研究分析小孔殘余應(yīng)力場，進而分析對小孔疲勞壽命的影響。 總體思路為：激光沖擊過程的動態(tài)加載是復(fù)雜的非線性動力學(xué)問題。激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力大且作用時間短, 當(dāng)金屬局部表面受到這種沖擊載荷作用時, 擾動會逐漸由近及遠(yuǎn)傳播到未受擾動的區(qū)域中去, 這種擾動的傳播就是應(yīng)力波。選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材由于應(yīng)力波作用所產(chǎn)生的動力學(xué)響應(yīng)。由于應(yīng)力波在金屬靶材內(nèi)部傳播過程中存在反射和相互作用, 因此為了使靶材獲得充分的塑性變形, 必須使設(shè)定的顯式算法的計算時間大于激光誘導(dǎo)沖擊波的持續(xù)時間。為了以最小的計算機時獲得最終靶材表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)力場分布, 需要將應(yīng)用動力顯式算法得到的計算結(jié)果導(dǎo)入適合于計算靜態(tài)和自然頻率響應(yīng)問題的靜力隱式算法模塊進行平衡回彈運算。另外, 在模擬單點多次激光沖擊形成的殘余應(yīng)力場時,第一次沖擊計算得到的殘余應(yīng)力、應(yīng)變值應(yīng)作為初始值讀入顯式積分算法模塊中, 以進行第二次沖擊波加載的有限元計算。下面為激光沖擊的有限元模擬流程： 激光沖擊的有限元模擬流程 Finite element simulation process of laser shock ABAQUS建模過程激光沖擊強化金屬板料致使材料表面產(chǎn)生塑性變形，其沖擊能量來源于激光沖擊與金屬材料相互作用時在表面產(chǎn)生的強大的沖擊波。沖擊波載荷的大小、加載方式及加載時間是影響數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵。因此，如何設(shè)置激光沖擊波載荷大小和加載方式是模擬激光沖擊強化的關(guān)鍵問題。 幾何模型的建立abaqus的part模塊里面可以建立草圖，也可以進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等操作。建立模型時應(yīng)注意尺寸，以免模型過大或過小對沖擊效果有影響。本文研究激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，模型如下：該有限元模型孔半徑5mm，厚度5mm，采用LY12CZ鋁合金。 材料的本構(gòu)模型材料本構(gòu)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(jié)果。選擇本構(gòu)模型最核心的一點是：利用某本構(gòu)模型擬合得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)應(yīng)最大程度上能反映你所使用的實驗數(shù)據(jù)，吻合程度越好，說明選擇的模型對這組材料越適合。JC模型形式簡單，參數(shù)少，使用方便，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是JC模型實際上是將材料的力學(xué)行為歸結(jié)為應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變速率效應(yīng)和溫度效應(yīng)相乘的一種經(jīng)驗型本構(gòu)模型，這與材料的實際流變行為有些不一致，如JC模型中將應(yīng)變速率效應(yīng)看作是應(yīng)變速率對數(shù)的線性函數(shù)，這與一些材料的實際情況不太一致，為此有研究人員提出了應(yīng)變速率效應(yīng)是應(yīng)變速率對數(shù)的指數(shù)函數(shù)：式中：εｐ為塑性應(yīng)變；ε*＝ε／εo ，ε為無量綱應(yīng)變速率，εo為參考應(yīng)變速率；Ｔ*＝ （Ｔ－Ｔｒ）/（Ｔｍ－Ｔｒ），為無量綱溫度，Ｔ 為試驗溫度，Ｔｒ為室溫溫度，Ｔｍ為金屬材料的熔點溫度；Ａ，Ｂ，Ｃ，ｎ，ｍ 為５個待定系數(shù)。本論文研究的參數(shù)為：A為325，B為555，。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。劃分網(wǎng)絡(luò)是有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)絡(luò)形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差異，因而對計算機精度和計算規(guī)模會產(chǎn)生顯著的影響。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。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格數(shù)量后的經(jīng)濟性。下圖為本論文模擬時的網(wǎng)格劃分: 在Fabbro 研究的基礎(chǔ)上, 通過估計沖擊波峰值壓力的大小, 以及由PVDF 傳感器得到的沖擊波壓力幅值時間曲線實現(xiàn)激光誘導(dǎo)沖擊波的精確加載。（A） 激光誘導(dǎo)沖擊波峰壓估算由于激光沖擊波加載本身的特殊性，即作用時間短(ns級)、壓力大(GPa級)，因此用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。因此，在激光沖擊強化模擬過程中，將沖擊波載荷簡化為作用在沖擊區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的壓力載荷，然后將其作為載荷直接作用在板料表面。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。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。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播理論，在沖擊波陣面上，其質(zhì)量、動量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關(guān)系，推得激光沖擊波峰值壓力估算式。（）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(guān)的參量，單位kg／m