CN107180131B - 用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法，包括：采用有限元软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体(具有较小几何尺寸的零件)进行激光冲击强化过程模拟，获得不同位置厚度方向激光冲击强化后塑性应变的分布；对得到的数据导入Matlab进行平均化处理，然后在Matlab中对数据进行拟合处理，求得塑性应变在厚度方向分布的拟合函数；将拟合函数导入曲率半径理论公式，最后求得激光冲击强化薄壁件变形曲率半径。本发明考虑到多点激光冲击强化薄壁件变形机理的复杂性以及变形中诸多可变因素的影响，其采用理论与模拟相结合的方法，来确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径，其具有低成本、耗时短、简便易行等特点。

Description

用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法
一、技术领域
本发明涉及激光冲击强化领域，具体是一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法。
二、背景技术
利用纳秒脉冲激光诱导产生的等离子体冲击波效应，在表层金属材料内引入具有一定深度的残余压应力，从而改善金属零件的抗疲劳性能和进一步提高疲劳寿命，同时材料表面的硬度和强度等性能也得到提高，激光冲击强化技术被广泛应用于航空、航天等领域。然而，激光冲击强化技术在带来以上诸多好处的同时也会引起零件的变形，尤其是金属薄壁件，由激光冲击强化引起的零件变形将影响零件的使用性能及后续的装配。金属薄壁件的激光冲击强化变形是目前急待解决的难题之一。
为了达到较优的激光冲击强化效果，需要采用合理的冲击强化工艺参数，然而由于激光冲击强化薄壁件变形机理的复杂性以及变形中诸多可变因素的影响，使得在优化工艺参数上存在很大困难。如果仅依靠实验数据和操作经验来确定工艺参数，则耗时耗资。因此将有限元引入激光冲击强化薄壁件中，对冲击强化工艺参数进行优化，但在实际操作中，由于光斑尺寸相对工件来说很小，冲击强化过程中光斑的数量成千上万，同时为获得沿厚度方向的应力和应变分布还需沿零件厚度方向进行网格细化，这样有限元模拟的计算量将非常巨大，受到计算成本的限制，现在需要一种将激光冲击强化工艺参数和零件变形曲率半径建立起关联的计算方法。
三、发明内容
为了克服现有优化激光冲击强化薄壁件工艺参数技术中的不足，本发明提出一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法。该方法采用理论与有限元模拟相结合的方法，利用本征应变的思想，在较少的时间内确定激光冲击强化薄壁件变形曲率半径，从而花费较少的成本即可建立起激光冲击强化工艺参数与薄壁件变形的关系。
本发明采用以下技术方案予以实现：
(1)在ABAQUS中，对与实际薄壁件具有相同厚度的特征单元体进行多点激光冲击强化模拟，获得特定工艺参数下零件厚度方向的塑性应变分布；
(2)将有限元模拟得到塑性应变厚度方向分布数据导入Matlab，在其中对模拟数据进行平均化处理，然后对平均塑性应变数据进行拟合处理，获得塑性应变在厚度方向的分布函数；
(3)将塑性应变分布函数带入激光冲击强化薄壁件变形曲率半径理论公式，获得曲率半径的大小。
本发明提出的一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法。本方法根据本征应变的思想，在有限元模拟中只需对特征单元体进行模拟分析，即可获得实际零件厚度方向的塑性应变分布，同时激光冲击强化过程数值模拟只需进行显式分析，对于多光斑的激光冲击强化载荷施加过程，采用Fortran语言编辑的子程序实现不同位置不同时刻的加载，提高了效率，大大减少了计算成本；同时采用Matlab对模拟得到的塑性应变厚度方向分布数据进行平均化处理，进一步进行数据拟合处理，提高了数据分析的效率和准确性，最后将由不同的工艺参数(激光功率密度、光斑半径、冲击强化路线、强化次数、搭接率、脉宽)得到的厚度方向塑性应变分布数据带入所提出的变形曲率半径理论公式，确定变形曲率半径的数值，因此该方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，工程应用前景好。
四、附图说明
图1为一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法的流程图。
图2为数值模拟得到的塑性应变分布图。
图3为在Matlab中对厚度方向塑性应变平均化数据进行拟合的分布图。
五、具体实施方式
下面结合具体实例求多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径R
本发明的技术方案作以下详细描述：
1.首先是针对多点激光冲击强化薄壁件过程进行数值模拟，此过程只需采用Explicit求解器。
多点激光冲击强化过程数值模拟包括以下步骤：
1.1.建立几何模型及定义材料属性：激光冲击强化薄壁件实际尺寸为500mm*50mm*3mm,根据本征应变思想，模拟分析的特征单元体几何尺寸为22mm*22mm*3mm，材料密度为4500kg/m3,泊松比0.34，弹性模量为110GPa。采用Johnson-Cook模型来描述TC4钛合金的动态本构关系，公式1为该模型的表达式。
Figure BDA0001295092070000031
式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，εp代表等效塑性应变，
Figure BDA0001295092070000032
代表参考应变速率，
Figure BDA0001295092070000033
代表动态应变率；
1.2.设置显式分析步：分析步的时间应确保在每个分析步中动能最后趋近于0，本分析实例中时间设置为2×10-5s；
1.3.施加载荷和划分网格：激光功率密度为6.42GW/cm2，采用平顶光束，圆形光班，光斑大小为3mm，脉冲宽度设置为10ns，搭接率为50％，使用Fortran编辑子程序进行多光斑不同位置和不同时刻载荷的施加；在激光冲击强化区域进行网格细化，网格大小为150μmx150μmx75μm；
1.4.提交分析作业及后处理：完成有限元计算，得到激光冲击强化的数值模拟结果，包括应力、应变、位移，塑性应变分布如图2所示。
2.将厚度方向塑性应变分布数据进行平均化处理，然后对数据进行拟合，得到应变分布函数f(x),拟合分布如图3所示。
f(x)＝0.01241*exp[-((x-3.93)/1.111)2] (2)
其中,x为零件厚度方向位置。
3.将塑性应变分布函数带入激光冲击强化薄壁件变形曲率半径理论公式，获得曲率半径的大小，曲率半径为：
Figure BDA0001295092070000041
Figure BDA0001295092070000042
Figure BDA0001295092070000043
其中Γ称作深度平均本征应变，Γ1称作本征应变矩，xR为零件上表面坐标，xL为零件下表面坐标，k为曲率，此处xR＝3；xL＝0；h为零件厚度，此处h＝3,最后求得曲率半径大小R＝206mm。

Claims (1)

1.一种用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用有限元软件ABAQUS首先对特征单元体进行激光冲击强化过程模拟，获得不同位置厚度方向激光冲击强化后塑性应变的分布；
(2)在Matlab中对模拟得到的厚度方向塑性应变分布的数据进行平均化处理，然后在Matlab中对数据进行拟合处理，求得塑性应变在厚度方向分布的拟合函数；
(3)将拟合函数导入曲率半径理论公式，最后求得激光冲击强化薄壁件变形曲率半径；
所述步骤(1)中的激光冲击强化过程模拟包括以下步骤：
2.1.建立几何模型及定义材料属性：
获取激光冲击强化薄壁件实际尺寸,设置模拟分析的特征单元体几何尺寸，然后获取材料密度、泊松比以及弹性模量；
采用Johnson-Cook模型来描述其动态本构关系：
Figure FDA0002503904330000011
式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，εp代表等效塑性应变，
Figure FDA0002503904330000012
代表参考应变速率，
Figure FDA0002503904330000013
代表动态应变率；
2.2.设置显式分析步长；
2.3.施加载荷和划分网格；
2.4.提交分析作业及后处理：完成有限元计算，得到激光冲击强化的模拟结果，包括应力、应变以及位移；
所述步骤(2)具体包括：
将厚度方向塑性应变分布数据进行平均化处理，然后对数据进行拟合，得到应变分布函数f(x):
f(x)＝a*exp[-((x-b)/c)2] (2)
其中，x为零件厚度方向位置，a,b,c为待确定设计变量参数，其具体数值在Matlab中通过数据拟合可以得到；
所述步骤(3)中获得曲率半径的大小具体包括：
Figure FDA0002503904330000021
Figure FDA0002503904330000022
Figure FDA0002503904330000023
其中，Γ称作深度平均本征应变，Γ1称作本征应变矩，xR为零件上表面坐标，xL为零件下表面坐标，k为曲率，h为零件厚度，最后求得曲率半径大小R。
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