【正文】 密度，單位W／cm2；pmax為沖擊波壓力峰值，單位Gpa。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。因此，在激光沖擊強(qiáng)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。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(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)沖擊波的精確加載。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。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。但是JC模型實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)溫度；Ａ，Ｂ，Ｃ，ｎ，ｍ 為５個待定系數(shù)。 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。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。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(qiáng)化的關(guān)鍵問題。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(qiáng)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(qiáng)大的沖擊波。為了以最小的計算機(jī)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(jìn)行平衡回彈運(yùn)算。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)。 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。 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。第二章 疲勞分析的數(shù)值建模激光沖擊工藝復(fù)雜，強(qiáng)化效果影響因素較多，完全采用實(shí)驗手段研究該工藝費(fèi)時費(fèi)力，數(shù)值模擬可以用來預(yù)測激光沖擊強(qiáng)化效果，根據(jù)有限元模擬獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進(jìn)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(jìn)一步的實(shí)驗研究提供參考。3. 研究激光搭接沖擊強(qiáng)化技術(shù)，同樣進(jìn)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(jìn)行疲勞數(shù)值分析，最后研究疲勞性能。對數(shù)值分析過程中的關(guān)鍵問題和相關(guān)設(shè)置進(jìn)行了處理。 研究的主要內(nèi)容激光沖擊強(qiáng)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。2005年國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機(jī)、水輪機(jī)的葉片處理，石油管道，汽車關(guān)鍵部件減量化等。2002 年，美國MIC 公司將激光沖擊強(qiáng)化用于葉片生產(chǎn)線，如圖 所示，每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)、零件更換費(fèi)幾百萬美元，隨后擴(kuò)展應(yīng)用于F16 戰(zhàn)斗機(jī)及最先進(jìn)的F22 戰(zhàn)斗機(jī)。同年美國加利福尼亞大學(xué)Lawrence Livermore國家重點(diǎn)實(shí)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(jī)扇葉的強(qiáng)化，如圖6 所示。1995 年美國的Jeff Dulaney 創(chuàng)建激光沖擊處理公司（LSP ）。最近， 等人對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行激光沖擊處理，耐疲勞壽命得到顯著提高。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)。最近Yilbas 等人研究了純鋁的激光沖擊強(qiáng)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。在研究了激光沖擊強(qiáng)化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。1972 年，美國Battlells Columbus 實(shí)驗室的Fairand 鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織和機(jī)械性能，研究表明其屈服強(qiáng)度提高30%。（3）無機(jī)械和熱應(yīng)力損傷。（2）超快。具有如下的特點(diǎn)：（1）高壓、高應(yīng)變率。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度時，將使金屬表面產(chǎn)生一定的塑形變形，同時使金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化，改善了材料的疲勞性能。 常見激光沖擊工藝激光沖擊工藝是一個復(fù)雜的過程，高壓高應(yīng)變下物態(tài)方程等眾多學(xué)科領(lǐng)域。在使用水作為約束層時，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點(diǎn)。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。約束層主要采用K9 光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。在約束模式下沖擊波峰壓達(dá)到10GPa, 激光沖擊波的脈寬提高到激光脈沖寬度的23倍。理論和實(shí)驗研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強(qiáng)了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。張等人采用改進(jìn)的黑漆涂層進(jìn)行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護(hù)效果和抗剝離能力效果明顯。 能量吸收層和約束層能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和作用時間。激光沖擊強(qiáng)化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應(yīng)力均與激光脈寬有關(guān)，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強(qiáng)化效果。Zhou 等人也在最近對等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長關(guān)系。 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(guān)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。目前國內(nèi)外研究人員越來越多的關(guān)注激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)工藝研究。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗表明，經(jīng)激光沖級強(qiáng)化后的焊縫在一周后未見腐蝕，而未經(jīng)強(qiáng)化的焊縫24小時后即出現(xiàn)嚴(yán)沖的腐蝕。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學(xué)效應(yīng)可改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。這些焊接接頭的強(qiáng)化是因為激光沖擊使材料內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的位錯。此外，激光沖擊強(qiáng)化還可以有效地強(qiáng)化某些金屬的焊縫區(qū)。（3）激光沖擊處理對材料表面硬度的影響激光沖擊處理提高金屬表面的硬度是其強(qiáng)化作用的令一個重要方面。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯密度和形成表面殘余壓應(yīng)力。在循環(huán)過程中，發(fā)生了殘余壓應(yīng)力松弛，使k重新增大，裂紋擴(kuò)展速率加大，最終導(dǎo)致斷裂。（2）激光沖擊對裂紋擴(kuò)展的影響激光沖擊強(qiáng)化對裂紋擴(kuò)展的抑制作用十分明顯，其機(jī)理可以從如下方面闡述：殘余壓應(yīng)力場阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，對短裂紋不僅可以使其擴(kuò)展速率大幅度下降，進(jìn)而形成非擴(kuò)展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強(qiáng)化件的疲勞強(qiáng)度得到提高。表面和內(nèi)部行成“細(xì)觀屈服區(qū)”的極限應(yīng)力是不同的。（1）激光沖擊對裂紋萌生的影響疲勞極限微細(xì)觀過程理論認(rèn)為，疲勞源的行成應(yīng)包括以下六個微細(xì)觀過程：a 加載時，個別晶粒內(nèi)位錯開動，產(chǎn)生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一些薄弱晶粒內(nèi)部或微觀應(yīng)力集中點(diǎn)附近出現(xiàn)位錯的運(yùn)動并受阻于晶界；b 為了使“微觀屈服”能進(jìn)一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯源及位錯的運(yùn)動，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當(dāng)多晶粒參與的“細(xì)觀屈服”小區(qū)；c 在“細(xì)觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應(yīng)變集中滑移帶；d 在卸載或反向加載到最小應(yīng)力時，一些應(yīng)變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；e 少數(shù)應(yīng)變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；f 個別條件合適的疲勞初裂縫，擴(kuò)展進(jìn)入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。由于沖擊波與材料相互作用，微觀上改變了材料內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的分布；宏觀上表現(xiàn)為材料力學(xué)性能的改變。對于發(fā)動機(jī)葉片等對表面形變特別敏感的零部件，沖擊強(qiáng)化后 激光沖擊強(qiáng)化的效應(yīng)從材料損傷的角度來看, 不論是疲勞還是動態(tài)破壞, 都是一個微裂紋( 或空洞) 成核、演化和失效破壞的連續(xù)過程, 材料損傷演化過程是全體裂紋共同作用的結(jié)果, 因此研究裂紋萌生、擴(kuò)展問題具有重要意義。沖擊原理簡化流程圖高功率激光→待處理表面→透明約束層→（）→沖擊波→ 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn) 1)LSP能形成深度更深且數(shù)值更大的殘余壓應(yīng)力影響層，通過LSP獲得的殘余壓應(yīng)力影響層可達(dá)1～2mm，是噴丸的5～10倍；2)LSP所用的激光參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)也具有可重復(fù)性，可以在同一地方通過累積的形式多次強(qiáng)化，因而殘余壓應(yīng)力的大小和強(qiáng)化層的深度精確可控；3)由于激光的可達(dá)性好，光斑大小可調(diào)，且能精確控制和定位，LSP技術(shù)能夠處理一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位。同時, 由于沖擊波貯藏的