CN107229767B - 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法 - Google Patents

一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107229767B
CN107229767B CN201710220429.5A CN201710220429A CN107229767B CN 107229767 B CN107229767 B CN 107229767B CN 201710220429 A CN201710220429 A CN 201710220429A CN 107229767 B CN107229767 B CN 107229767B
Authority
CN
China
Prior art keywords
surface roughness
laser shock
shock peening
numerical simulation
numerical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710220429.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107229767A (zh
Inventor
张永康
朱然
杨青天
黄志刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN201710220429.5A priority Critical patent/CN107229767B/zh
Publication of CN107229767A publication Critical patent/CN107229767A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107229767B publication Critical patent/CN107229767B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法，采用有限元软件ABAQUS首先对多光斑的激光冲击强化过程进行数值模拟，获得强化后零件表面不同采样路径节点的位移分布，然后利用Matlab对数值模拟得到的表面数据进行采集及处理，确定表面形貌轮廓中线的位置，最后将数值模拟得到的表面数据带入所提出的表面粗糙度离散化计算公式，得到表面粗糙度的数值。本发明考虑到激光冲击强化过程机理的复杂以及诸多可变因素的影响，单纯依靠实验获得零件表面粗糙度的方法，需要耗费大量的时间和资金，从而提出了一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法来获得零件表面粗糙度，从而可以进一步优化激光冲击强化参数。

Description

一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法
技术领域
本发明涉及到激光冲击强化领域中表面粗糙度计算的方法，具体是一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法。
背景技术
激光冲击强化技术是一种先进的金属表面改性技术，其基本原理是利用高功率密度、短脉冲激光在金属表面诱导高压冲击波并作用于金属表面，在表层金属材料内引入具有一定深度的残余压应力，从而大幅度提高材料表面的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等性能。大量研究证明激光冲击强化技术能够降低裂纹扩展速度，延长裂纹萌生时间。
零件表面粗糙度是评定表面质量的重要指标，表面粗糙度的大小将直接影响零件的疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性，金属材料在激光冲击波作用下发生局部塑性变形，从而在板料表面形成一定深度的微凹坑，引起表面粗糙度的增大，对其抗疲劳性能产生一定负面影响。因此对激光冲击强化表面粗糙度的研究具有一定的实际意义，现有研究主要集中在实验方面，即采用实验的方法对不同的激光工艺参数对零件表面进行冲击强化，然后采用测量仪器对激光冲击处理后的零件表面进行粗糙度测量，从而在大量实验的基础上获得最优的工艺参数，但是冲击强化过程机理复杂同时受到诸多可变因素的影响，这给激光冲击强化工艺参数的优化实验实施带来很大困难。同时考虑到单单依靠实验数据和操作经验采用多次尝试的方法，需要耗费一定的时间和费用。因此迫切需要一种新的计算方法来确定激光冲击强化零件表面粗糙度的数值。
发明内容
本发明针对现有确定激光冲击强化零件表面粗糙度数值的局限性，特别是对于多光斑的激光冲击强化实验需要耗时耗资方面，本发明提出一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法，从而大量降低实验成本，分析激光冲击强化参数对表面粗糙度的影响，从而在较少的时间内得到最佳的工艺参数。
其采用以下技术方案予以实现：
(1)在有限元软件ABAQUS中，对多光斑激光冲击强化的过程进行数值模拟，在此过程中需要设置材料性能，确定显式分析步的时间，同时采用Fortan编辑子程序对载荷的施加过程进行编辑，最后提交分析作业及后处理得到零件表面的位移分布；
(2)在Matlab中对数值模拟得到的零件表面位移数据进行采集和处理，同时利用最小二乘法来确定表面形貌轮廓中线位置；
(3)将数值模拟得到的表面数据带入提出的表面粗糙度离散化公式，得到表面粗糙度数值，对取至不同采样路径节点数据得出的表面粗糙度数值进行平均化处理。
本发明提出的一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法。本方法的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，同时采用Matlab对不同采样路径上的数据进行采集和处理，进一步提高了确定轮廓中线的效率和准确性，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)得到的表面节点数据带入所提出的表面粗糙度离散化公式，确定表面粗糙度数值，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。
附图说明
图1为一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法的流程图。
图2为模拟数据表面采样路径分布图。
具体实施方式
下面结合具体实例求表面粗糙度Ra，同时按照本方法思路也可以求得Rz和Ry，本发明的技术方案作以下详细描述：
1.首先是针对多光斑的激光冲击强化过程进行数值模拟，此过程只需采用Explicit求解器。
多光斑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：几何尺寸为40mm*40mm*5mm，材料密度为2750kg/m3,泊松比0.33，弹性模量为72GPa。采用Johnson-Cook模型来描述2050-T8 铝合金的动态本构关系，公式1为该模型的表达式。
Figure BDA0001263564320000021
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 BDA0001263564320000022
代表参考应变速率，
Figure BDA0001263564320000023
代表动态应变率，本文中上述参数取值为A＝510MPa,B＝200MPa,n＝0.45,C＝0.02,
Figure BDA0001263564320000024
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8×10-3s；
1.3.施加载荷和划分网格：激光功率密度为3.5GW/cm2，采用方形光班，光斑大小为 4mm，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 150μmx150μmx50μm；
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、位移等。
2.利用Matlab对数值模拟数据进行采集和处理，利用最小二乘法来确定表面形貌轮廓中线位置，即确定公式2。
z＝a·x+b (2)
3.将数值模拟得到的表面数据带入提出的表面粗糙度离散化公式，得到表面粗糙度数值，对取至不同采样路径节点数据得出的表面粗糙度数值进行平均化处理，得到表面粗糙度Ra为0.355μm，表面粗糙度离散化公式为方程式3。
Figure BDA0001263564320000031
。

Claims (2)

1.一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)首先对多光斑激光冲击强化的过程进行数值模拟，获得零件表面不同采样节点的位移分布的表面数据；
(2)对所述表面数据进行采集及处理，确定表面形貌轮廓中线的位置：
利用Matlab对数值模拟数据进行采集和处理，利用最小二乘法来确定表面形貌轮廓中线位置z＝a·x+b；
(3)将所述表面数据代入表面粗糙度离散化公式，计算出表面粗糙度数值；
多光斑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：该模型的表达式：
Figure FDA0002733393970000011
式中：A为屈服强度，B和m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 FDA0002733393970000013
代表参考应变速率，
Figure FDA0002733393970000014
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；
1.3施加载荷和划分网格，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；
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；
所述的表面粗糙度离散化公式是基于定积分理论得到的：
表面粗糙度离散化公式为：
Figure FDA0002733393970000012
2.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法，其特征在于，所述数值模拟过程采用有限元软件ABAQUS中的Explicit求解器。
CN201710220429.5A 2017-04-06 2017-04-06 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法 Active CN107229767B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710220429.5A CN107229767B (zh) 2017-04-06 2017-04-06 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710220429.5A CN107229767B (zh) 2017-04-06 2017-04-06 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107229767A CN107229767A (zh) 2017-10-03
CN107229767B true CN107229767B (zh) 2021-01-19

Family

ID=59934403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710220429.5A Active CN107229767B (zh) 2017-04-06 2017-04-06 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107229767B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110162834A (zh) * 2019-04-11 2019-08-23 广东镭奔激光科技有限公司 基于采集的激光冲击数据的模拟方法和强化质量控制装置
TWI769872B (zh) * 2020-06-24 2022-07-01 國立成功大學 積層製造方法
CN112756777B (zh) * 2020-12-29 2022-12-02 华中科技大学 一种金属表面的激光发黑处理方法
CN116306129A (zh) * 2023-03-10 2023-06-23 南通大学 一种评估激光冲击材料表层塑性流动的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104164538A (zh) * 2014-07-16 2014-11-26 江苏大学 一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法
CN104833786A (zh) * 2015-04-17 2015-08-12 江苏大学 热剪刀具材料激光冲击残余应力热松弛的检测方法
CN104866652A (zh) * 2015-04-29 2015-08-26 西北工业大学 一种基于abaqus的喷丸强化变形的有限元模拟方法
CN104899345A (zh) * 2015-03-09 2015-09-09 上海交通大学 用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9056353B2 (en) * 2012-05-15 2015-06-16 Apple Inc. Manipulating surface topology of BMG feedstock

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104164538A (zh) * 2014-07-16 2014-11-26 江苏大学 一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法
CN104899345A (zh) * 2015-03-09 2015-09-09 上海交通大学 用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法
CN104833786A (zh) * 2015-04-17 2015-08-12 江苏大学 热剪刀具材料激光冲击残余应力热松弛的检测方法
CN104866652A (zh) * 2015-04-29 2015-08-26 西北工业大学 一种基于abaqus的喷丸强化变形的有限元模拟方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Differences in plasticity due to curvature in laser peened components";Anoop Vasu等;《Surface & Coatings Technology》;20130831;第235卷;第648-656页 *
"SIMULATION OF SURFACE ROUGHNESS EFFECTS ON RESIDUAL STRESS IN LASER SHOCK PEENING";Peter J.Hasser等;《Proceedings of the ASME 2013 International Manufacturing Science and Engineering Conference》;20130614;第1-11页 *
"以ABAQUS为平台的激光冲击数值仿真";姬广祯等;《现代制造工程》;20090518(第5期);第17-20页 *
"基于双正交提升小波的单晶硅表面形貌特征提取";徐瑞芬等;《机电工程》;20100228;第27卷(第2期);正文第57-60页第1-3节 *
"基于纳秒激光冲击波效应的金属表面形貌与性能研究";戴峰泽;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20140815(第8期);正文第17-22页第2节，第53-67页第4节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107229767A (zh) 2017-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107229767B (zh) 一种基于数值计算的激光冲击强化表面粗糙度的计算方法
Correia et al. Local unified probabilistic model for fatigue crack initiation and propagation: application to a notched geometry
Guagliano Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening: a numerical approach
CN107506544B (zh) 一种金属材料疲劳裂纹扩展预测方法
DeWald et al. Eigenstrain-based model for prediction of laser peening residual stresses in arbitrary three-dimensional bodies Part 1: Model description
Kamaya Growth evaluation of multiple interacting surface cracks. Part II: Growth evaluation of parallel cracks
CN107180131B (zh) 用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法
Zhu et al. A new approach for the influence of residual stress on fatigue crack propagation
Vasu et al. A computational methodology for determining the optimum re-peening schedule to increase the fatigue life of laser peened aircraft components
Anitha et al. Multi-objective optimization of electrical discharge machining processes using artificial neural network.
Chen et al. A new high-speed observation system for evaluating the spark location in WEDM of Inconel 718
Golabi et al. Multi-objective optimization of residual stress and cost in laser shock peening process using finite element analysis and PSO algorithm
CN109750150A (zh) 激光冲击强化零件疲劳寿命的在线无损预测方法
CN111199115A (zh) 用于确定多点激光冲击强化薄壁件变形曲率半径的方法
CN109459329B (zh) 一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法
Wu et al. Simulation and Experimental Research on Residual Stress Field of Cemented Carbide YG8 by Laser Shock Processing
Ploshikhin et al. Advanced numerical method for fast prediction of welding distortions of large aircraft structures
Liu et al. Multi-objective optimization of the subsurface residual stress field of TC4 alloy in machine hammer peening
Feng et al. The influence of controlled parameters on ultrasonic peening forming by numerical simulation
Kumar et al. Thermal stress analysis of XW-42 steel workpiece using finite element modeling
Yang et al. The simulation and experiment of In 718 in warm laser shock processing without coating
CN114492122B (zh) 一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法
CN116136440B (zh) 一种方形光斑激光冲击强化效果的预测方法
Xiao et al. High cycle fatigue analysis with induced residual stress based on fracture mechanics
Haque et al. Surface morphology of API 5L X65 pipeline steel processed by ultrasonic impact peening: An integrated experimental and computational study

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant