【正文】 ]激光沖擊強化是利用激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波對材料表面實施改性的一種技術(shù)。產(chǎn)生激光沖擊波的物理機制一般認為有兩種：,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靶材反沖壓力。由于這種沖擊波壓力高達數(shù)個GPa,遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度,從而使材料產(chǎn)生屈服和冷塑性變形,同時在成形區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力,改善了成形件的疲勞和腐蝕性能。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]。激光沖擊強化處理的實質(zhì)就是沖擊波即應(yīng)力波與材料相互作用的結(jié)果[7]。而在激光作用的后期，由于激光功率密度的減小，作用于表面的沖擊波壓力也隨之降低，因此在激光沖擊過程中，激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力經(jīng)歷了快速增強、保壓和衰減三個過程。在此過程中，由于能量吸收層的“犧牲作用，加之激光沖擊的時間極短，保護了工件表面不受激光熱損傷，故熱學(xué)效應(yīng)可以忽略不計，因此將激光沖擊強化工藝歸為冷加工工藝，約束層的存在大大提高了激光沖擊波的壓力幅值和作用時間。由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束限制，導(dǎo)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。為了提高材料對激光能量的吸收和保護材料表面不受激光熱損傷，在激光沖擊前，一般在工件的待沖擊區(qū)域涂上一層不透明的材料，稱之為吸收層，然后再覆蓋一層透明的材料，稱之為約束層[5]。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，增強硬度和強度，增加抗應(yīng)力腐蝕能力，延長零件的疲勞壽命。 激光沖擊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[4]由于零部件在使用過程中難免會出現(xiàn)各種裂紋和缺陷，應(yīng)力集中區(qū)也隨之產(chǎn)生，從而導(dǎo)致零部件的破損和失效。隨著科學(xué)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。而激光在信息產(chǎn)業(yè)中的大量應(yīng)用更是信息時代到來的主要原動力之一。激光用于加工，始于激光打孔，很快就推廣到切割、焊接、熱處理、表面改性與強化，乃至激光快速成型、激光清洗和激光微加工，已經(jīng)成為了高科技產(chǎn)業(yè)不可缺少的加工方法。激光是光的受激輻射，因而它是一種極好的光源，它首先在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 激光的應(yīng)用這期間激光的理論與應(yīng)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(yīng)用于科學(xué)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(yīng)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。其后在我國科學(xué)家錢學(xué)森的建議，統(tǒng)一翻譯成激光或者激光器[3] 。1960年7月美國的MAIMAN宣布制成第一臺紅寶石激光器（Ruby Laser）。20世紀50年代美國科學(xué)家TOWNES以及前蘇聯(lián)科學(xué)家PROKHOROV等人分別發(fā)明了一種低噪聲微波放大器，即一種在微波波段的受激輻射放大器（Microwave amplification by stimulated emission of radiation），并以英文的第一字母縮寫為Maser。 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。從而進一步誘發(fā)向金屬內(nèi)傳播的沖擊波。激光沖擊誘導(dǎo)應(yīng)力波的原理：激光和金屬表面進行相互作用，一部分激光被反射，一部分激光透入金屬。激光沖擊誘導(dǎo)的應(yīng)力波是改變材料性質(zhì)的能量源。激光沖擊還可以應(yīng)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]。當應(yīng)力波峰壓大于材料的動態(tài)屈服強度時，金屬材料的性能將會發(fā)生改變。關(guān)鍵詞：激光沖擊；沖擊波；數(shù)值模擬；殘余應(yīng)力場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)力場的形成 29 殘余應(yīng)力場的發(fā)展歷程 30 殘余應(yīng)力的估算 30 穩(wěn)定殘余應(yīng)力場 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 37 致謝 39 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（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。由得到的云圖和XY表格可以看出，500ns后的激光沖擊波在材料內(nèi)部的傳播逐漸趨于穩(wěn)定。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(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波進行數(shù)值上的模擬。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波是由等離子體所產(chǎn)生的。 指導(dǎo)教師簽字： IV摘 要激光沖擊已經(jīng)多次被證實在諸多領(lǐng)域都有許多應(yīng)用和巨大的益處，例如增強金屬表面的屬性，改變材料表面的疲勞壽命，穿孔等等。設(shè)計說明書需打印輸出，并遵守相應(yīng)規(guī)范，參考文獻中除設(shè)計手冊和工具書外，至少含有5篇以上中文論文文獻和3篇以上外文文獻。再利用ABAQUS有限元分析軟件對所建的模型進行殘余應(yīng)力分析，根據(jù)結(jié)果得出XY表。再利用ABAQUS有限元分析軟件對建立的模型進行激光沖擊，設(shè)置好波型和峰值壓力。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書課題名稱激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響學(xué) 院 機械工程學(xué)院專業(yè)班級姓 名追風(fēng)少年學(xué) 號畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容:根據(jù)課題進行調(diào)研、收集國內(nèi)外文獻資料，其中外文資料至少3篇以上，書寫開題報告。 利用ABAQUS有限元分析軟件建立一個1010mm的正方形模型，并對模型賦予材料屬性。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。課題折合0號圖1張圖紙；除至少有1張手工繪圖外，其余圖紙皆為CAD繪圖。 英文翻譯5000單詞以上論文一篇，300字中英文摘要。激光沖擊誘導(dǎo)的應(yīng)力波是材料改性的能量源。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。在激光沖擊結(jié)束后，再利用ABAQUS對材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力場分布進行模擬。最后形成的殘余應(yīng)力場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。由于激光束與材料相互作用，產(chǎn)生強應(yīng)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。由此可見，激光沖擊具有十分廣泛的應(yīng)用前景。因此對應(yīng)力波的動態(tài)測量十分重要，它不僅為預(yù)選激光沖擊參數(shù)提供依據(jù)，而且給激光沖擊技術(shù)的無損評價創(chuàng)造條件。激光沖擊以后，金屬表面溫度從室溫陡升至氣化溫度，氣化速度超過聲速[2]。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(yīng)力波。激光的發(fā)展史應(yīng)該追溯到1917年，愛因斯坦提出光的受激輻射的概念，預(yù)見到受激輻射光放大器誕生，也就是激光產(chǎn)生的可能性。1958年美國科學(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Laser）。1961年我國科學(xué)家鄧錫銘、王之江制成我國第一臺紅寶石激光器，在1961年11期《科學(xué)通報》上發(fā)表了相關(guān)論文，稱其為“光學(xué)量子放大器”。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]。激光技術(shù)在短短幾十年內(nèi)就推廣應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信、國防和科學(xué)技術(shù)的各個方面。激光用來測、測距、測速、側(cè)角、測量各種可以轉(zhuǎn)換光的物理量，發(fā)展出一門新的專門的學(xué)科激光測量學(xué)，還使得光學(xué)測量方法走出實驗室成為工程測量的常規(guī)手段。激光醫(yī)學(xué)近30年來的發(fā)展和推廣，給人類帶來了福祉?？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(yīng)用密不可分[4]。（如下）就介紹了激光在制造先進發(fā)動機的過程中的應(yīng)用，它基本上涉及到了整個生產(chǎn)過程。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)。 激光沖擊處理的機理激光沖擊處理(LSP：Laser Shock Processing)是一種新型的表面強化技術(shù)，其基本原理如圖1．2所示。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。由于這種沖擊