CN107766614B - 一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，包括对材料进行激光喷丸单点冲击，确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型并以此建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型，提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型并以此建立方形板计算模型，计算得到方形板计算模型的第一弯曲变形轮廓数据；对相同的材料进行激光喷丸扫描冲击，测量得到第二弯曲变形轮廓数据；比较所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正。本发明提供的方法具有简便、准确、成本低的特点，可以提高获取固有应变的准确性。

Description

一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法。

背景技术

激光喷丸工艺是一种新兴的金属表面强化和板件成形技术，与传统机械喷丸相比，其具有塑性层深度更大、工艺可控性更强、加工表面质量更高等突出特点。由于上述优势，激光喷丸在航空航天和国防领域的工程实践中，如飞机机身壁板气动外形成形、航空发动机涡轮叶片强化、运载火箭燃料储箱成形等需求中，均具有广阔的应用前景。

激光喷丸的基本原理是通过激光冲击作用使板件表层产生塑性应变从而引入残余压应力和弯曲成形。固有应变是物体所有非弹性应变的总和，被认为是产生残余应力和变形的根源。因此，如何获得特定激光喷丸参数所对应的固有应变分布，是激光喷丸技术应用的重要课题之一。

固有应变起初被用于大型船舶板件的焊接变形预测，如现有专利“一种预测多层焊焊接变形的方法”(申请号CN201410650011.4)在实验基础上建立固有应变与焊接能量的函数关系，然后利用此函数关系和各层焊接时所消耗的焊条数量来计算每层焊后的固有应变，最终得到总固有应变预测整体焊接变形。固有应变法虽然已经在焊接领域得到较为普遍的应用，但是在激光喷丸研究方面还比较匮乏。

现有专利“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”(申请号CN201510102659.2)在国内首次将固有应变法引入到激光喷丸应用中，以固有应变为中间量，建立根据目标曲面形状优化选择相应激光喷丸成形工艺参数的方法，但是在该专利中没有介绍如何获得不同激光喷丸参数对应的固有应变分布。美国学者DeWald在其论文中提出一种通过测量残余应力，建立半解析公式反求固有应变的方法，但是该方法实施过程复杂，且准确测量残余应力的难度较大，难以获得深度方向的固有应变。(A.T.DeWald,M.R.Hill.Eigenstrain-based model for prediction of laser peening residualstresses in arbitrary three-dimensional bodies Part 1:Model description.TheJournal of Strain Analysis for Engineering Design,2009,44(1):1-11.)

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法。

根据本发明提供的一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，包括：

模型仿真步骤：对材料进行激光喷丸单点冲击，确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型并以此建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型，提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型，依据所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型建立方形板计算模型，计算得到方形板计算模型的第一弯曲变形轮廓数据；

方形板成形步骤：对与所述方形板计算模型相同尺寸的方形板进行激光喷丸扫描冲击，测量得到第二弯曲变形轮廓数据；

校正步骤：比较所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正。

优选的，所述激光喷丸单点冲击与所述激光喷丸扫描冲击所采用的工艺参数相同，所采用的材料相同，所述工艺参数包括激光功率密度、光斑大小、激光脉宽，约束层和吸收层；所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据包括平面两个正交方向中心线的变形轮廓线。

优选的，所述的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型包括函数方程p＝p(r,t,c)，其中，p为冲击压力载荷，r为激光光斑范围内一点到光斑中心的距离，t为从激光照射到板材表面开始的时间，c为可调整控制参量。

优选的，通过单光斑动态计算来确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型，包括：进行单光斑激光冲击动态计算，通过不断调整所述激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型中相关的c参量，直到由单光斑动态计算得到的第一冲击微坑几何形貌与所述激光喷丸单点冲击得到的第二冲击微坑几何形貌相互吻合，由此时的c参量确定的p＝p(r,t,c)函数方程即为标定所得的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型。

优选的，所述的建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型包括：使用激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型作为单个光斑的载荷形式，按照一定的扫描路径和光斑搭接方式，形成重复特征单元，进行多个光斑的连续冲击动态仿真。

优选的，所述的重复特征单元在整个激光喷丸区域内具有周期性、重复性，整个喷丸区域除面积小于重复特征单元的部分边缘外，通过若干重复特征单元的紧密排列完全覆盖。

优选的，所述的提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型包括：定义X方向和Y方向分别为平面两个正交方向，Z方向为深度方向；激光喷丸连续冲击动态仿真结束后，在重复特征单元内，沿Z方向取每一层所有节点沿X方向塑性应变值的平均值，作为该深度X方向的固有应变值

对获得的一系列离散数据点用适当的函数进行拟合，得到X方向固有应变沿深度方向的连续分布函数

其中，z为一点的深度值；类比地，得到Y方向固有应变沿深度方向的连续分布函数为

优选的，所述方形板计算模型对材料赋予与深度关联的热膨胀系数α，并对喷丸区域施加温度场ΔT＝1，以此方式在所述方形板计算模型中引入等效固有应变ε^*＝αΔT。

优选的，所述的热膨胀系数具有正交各向异性，且其在深度方向的分布规律与平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型相同，即

优选的，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正包括：将所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据进行比对，根据两者的差异对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行调整，重复直至所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据吻合为止，最终调整所得的所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型即为相应工艺参数的激光喷丸在所述材料上所对应的固有应变分布。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明建立了从激光喷丸工艺参数到固有应变的转换途径，更本质地揭示了激光喷丸成形的技术原理，固有应变的大小能够更直观地反映激光喷丸的强度；

2、本发明获得的固有应变，将激光喷丸的复杂动力学过程转化为简便的静力学弹性变形过程，为提高计算仿真效率和准确预测喷丸成形效果提供了有效途径；

3、本发明由于单点冲击微坑几何形貌和小型方板弯曲变形轮廓数据测量简便、准确、成本低，可以提高获取固有应变的准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于计算模型确定激光喷丸固有应变的流程图；

图2为本发明实施例中激光喷丸扫描冲击的扫描路径示意图；

图3为本发明实施例中第一冲击微坑几何形貌与第二冲击微坑几何形貌的比较示意图；

图4为本发明实施例中激光喷丸连续冲击动态仿真模型的扫描路径及重复特征单元示意图；

图5为本发明实施例中方向定义示意图；

图6为本发明实施例中平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型的数据图；

图7、图8为本发明实施例中第一弯曲变形轮廓数据与第二弯曲变形轮廓数据的比较示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，在本实施例中，本发明所提供的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，包含如下步骤：

模型仿真步骤：对材料进行激光喷丸单点冲击，确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型并以此建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型，提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型，依据所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型建立方形板计算模型，计算得到方形板计算模型的第一弯曲变形轮廓数据；

方形板成形步骤：对与所述方形板计算模型相同尺寸的方形板进行激光喷丸扫描冲击，测量得到第二弯曲变形轮廓数据；

校正步骤：比较所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正。为了便于比较，本实施例在模型仿真步骤得到的方形板计算模型与方形板成形步骤所采用的方形板尺寸相同，且激光的工艺参数相同，材料相同，工艺参数，包括激光功率密度、光斑大小、激光脉宽，约束层和吸收层。弯曲变形轮廓数据包括平面两个正交方向中心线的变形轮廓线。

本实施例中，激光功率密度为5.94GW/cm²，光斑直径4mm，激光脉宽15ns，水作为约束层，黑胶带作为吸收层；所用材料为2024-T351铝合金；激光喷丸单点冲击后，使用三维形貌仪获取冲击微坑几何形貌。

在本实施例中，激光喷丸扫描冲击采用与激光喷丸单点冲击相同的工艺参数，使用尺寸为80mm×80mm×4mm，材料为2024-T351铝合金方形板，如图2所示，采用的扫描路径形式为按照平行于方形板边缘的路径往复扫描，两个方向光斑搭接率均为20％，在方形板中心50mm×50mm范围内进行激光喷丸实验，并用三维形貌仪获取方形板两个方向中心线的变形轮廓(第二弯曲变形轮廓数据)。

所述的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型，具体为一组函数方程p＝p(r,t,c)，其中，p为冲击压力载荷，r为激光光斑范围内一点到光斑中心的距离，t为从激光照射到板材表面开始的时间，c为除去r和t之外的其他可调整控制参量，c代表的参量的数目和具体含义根据实际选用的函数模型而定；

在本实施例中，对于激光冲击压力载荷的时间分布，采用一组偏微分方程模型，该模型将冲击压力随时间的变化按照激光辐照和等离子体衰减两个阶段求解。激光辐照阶段，假设等离子体为理想气体，等离子体热能占比m为重要控制参数。被吸收激光的能量密度I_p(t)、界面空隙厚度L_p(t)满足：

其中，Z_i＝ρ_iC_i为靶材和约束层声阻抗，ρ为材料的密度，C为冲击波波速，i＝1,2分别代表靶材和约束层。等离子体膨胀衰减，据热力学基本原理求解冲击压力p和等离子厚度L，解得：

其中，γ₀为一定温度下空气常数比热比；T＝2τ为激光辐照停止时间；τ为激光脉冲宽度；

在本实施例中，在激光冲击压力载荷的时间分布模型基础上，对于其空间分布模型，采用分段函数形式表示如下：

其中，r是激光光斑范围内一点到光斑中心的距离，R是光斑半径，n为冲击压力径向衰减参数，w是束腰宽度，r₀是分布分界点；

在本实施例中，激光冲击压力载荷模型中的c参量有两个，分别为等离子体热能占比m和冲击压力径向衰减参数n，压力分布函数模型表示为p＝p(r,t,m,n)；

通过单光斑动态计算来确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型，包括：进行单光斑激光冲击动态计算，通过不断调整所述激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型中相关的c参量，直到由单光斑动态计算得到的第一冲击微坑几何形貌与激光喷丸单点冲击得到的第二冲击微坑几何形貌相互吻合，由此时的c参量确定的p＝p(r,t,c)函数方程即为标定所得的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型；

在本实施例中，通过不断调整m和n两个参数的值进行单光斑动态计算，当m＝0.24，n＝5.0时，如图3所示，单光斑动态计算得到的第一冲击微坑几何形貌与激光喷丸单点冲击的第二冲击微坑几何形貌相吻合。由控制参量m＝0.24，n＝5.0确定的p＝p(r,t,0.24,5.0)函数方程即为标定所得的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型。

所述的建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型，具体为使用标定所得的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型作为单个光斑的载荷形式，按照一定的扫描路径和光斑搭接方式，形成重复特征单元，进行多个光斑的连续冲击动态仿真。

所述的重复特征单元，在整个激光喷丸区域内具有周期性、重复性，整个喷丸区域除面积小于重复特征单元的部分边缘外，可以通过若干重复特征单元的紧密排列完全覆盖。

在本实施例中，激光喷丸连续冲击动态仿真使用压力分布模型p＝p(r,t,0.24,5.0)，为提高计算效率，按照如图4所示的扫描路径，平面两个方向光斑搭接率均为20％，进行19个光斑的连续冲击动态仿真，形成重复特征单元。

在本实施例中，重复特征单元如图4所示，该特征单元为正六边形，包含一个完整光斑和周围搭接的六个三分之一光斑。

所述的提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型，具体为，定义X方向和Y方向分别为平面两个正交方向，Z方向为深度方向。激光喷丸连续冲击动态仿真结束后，在重复特征单元内，沿Z方向取每一层所有节点沿X方向塑性应变值的平均值，作为该深度X方向的固有应变值

对获得的一系列离散数据点用适当的函数进行拟合，得到X方向固有应变沿深度方向的连续分布函数

其中，z为一点的深度值；类比地，得到Y方向固有应变沿深度方向的连续分布函数为

在本实施例中，X方向、Y方向、Z方向的定义如图5中所示，沿Z方向分别取重复特征单元内每层节点在X方向和Y方向的塑性应变值的平均值，获得如图6所示的系列离散数据点，两个方向的固有应变均可用如式(4)的双高斯函数进行拟合，具体各系数拟合结果如表1所示。

表1.固有应变双高斯拟合结果

所述的方形板计算模型对材料赋予与深度关联的热膨胀系数α，并对模型喷丸区域施加温度场ΔT＝1，以此方式在方形板计算模型中引入等效固有应变ε^*＝αΔT。

所述的热膨胀系数，具有正交各向异性，且其在深度方向的分布规律与平面两个方向固有应变沿深度方向的分布模型相同，即

在本实施例中，建立尺寸为80mm×80mm×4mm，材料为2024-T351铝合金的计算模型，对材料按照深度分层赋予相应的热膨胀系数

并对方板中心50mm×50mm区域施加温度场ΔT＝1，进行固有应变成形预测仿真计算，并分别提取X方向和Y方向中心线的变形轮廓(第一弯曲变形轮廓数据)。

对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型校正包括：将所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据进行比对，根据两者的差异对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行调整，重复直至所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据吻合为止，最终调整所得的所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型即为相应工艺参数的激光喷丸在所述材料上所对应的固有应变分布。

在本实施例中，将方形板计算模型所得第一弯曲变形轮廓数据与扫描冲击所得第二弯曲变形轮廓数据进行比对，根据两者的差异，对固有应变分布函数

和

中a₁和a₂的数值进行调整，然后重复直至两个弯曲变形轮廓数据相吻合(例如图7、图8所示)为止。最终调整所得a₁、a₂数值如表2所示，由表2参数确定的

和

即为该组激光喷丸工艺参数在2014-T351铝合金上所对应的固有应变分布。

表2.校正后的固有应变高斯拟合结果

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，包括：

模型仿真步骤：对材料进行激光喷丸单点冲击，确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型并以此建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型，提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型，依据所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型建立方形板计算模型，计算得到方形板计算模型的第一弯曲变形轮廓数据；

方形板成形步骤：对与所述方形板计算模型相同尺寸的方形板进行激光喷丸扫描冲击，测量得到第二弯曲变形轮廓数据；

校正步骤：比较所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正；

所述的建立激光喷丸连续冲击动态仿真模型包括：使用激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型作为单个光斑的载荷形式，按照一定的扫描路径和光斑搭接方式，形成重复特征单元，进行多个光斑的连续冲击动态仿真；

所述的重复特征单元在整个激光喷丸区域内具有周期性、重复性，整个喷丸区域除面积小于重复特征单元的部分边缘外，通过若干重复特征单元的紧密排列完全覆盖。

2.根据权利要求1所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，所述激光喷丸单点冲击与所述激光喷丸扫描冲击所采用的工艺参数相同，所采用的材料相同，所述工艺参数包括激光功率密度、光斑大小、激光脉宽，约束层和吸收层；所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据包括平面两个正交方向中心线的变形轮廓线。

3.根据权利要求1所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，所述的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型包括函数方程p＝p(r,t,c)，其中，p为冲击压力载荷，r为激光光斑范围内一点到光斑中心的距离，t为从激光照射到板材表面开始的时间，c为可调整控制参量。

4.根据权利要求3所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，通过单光斑动态计算来确定激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型，包括：进行单光斑激光冲击动态计算，通过不断调整所述激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型中相关的c参量，直到由单光斑动态计算得到的第一冲击微坑几何形貌与所述激光喷丸单点冲击得到的第二冲击微坑几何形貌相互吻合，由此时的c参量确定的p＝p(r,t,c)函数方程即为标定所得的激光冲击压力载荷的时间与空间分布模型。

5.根据权利要求1所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，所述的提取平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型包括：定义X方向和Y方向分别为平面两个正交方向，Z方向为深度方向；激光喷丸连续冲击动态仿真结束后，在重复特征单元内，沿Z方向取每一层所有节点沿X方向塑性应变值的平均值，作为该深度X方向的固有应变值

对获得的一系列离散数据点用适当的函数进行拟合，得到X方向固有应变沿深度方向的连续分布函数

其中，z为一点的深度值；类比地，得到Y方向固有应变沿深度方向的连续分布函数为

6.根据权利要求5所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，所述方形板计算模型对材料赋予与深度关联的热膨胀系数α，并对喷丸区域施加温度场ΔT＝1，以此方式在所述方形板计算模型中引入等效固有应变ε^*＝αΔT。

7.根据权利要求6所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，所述的热膨胀系数具有正交各向异性，且其在深度方向的分布规律与平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型相同，即

8.根据权利要求1所述的基于计算模型确定激光喷丸固有应变的方法，其特征在于，对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行校正包括：将所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据进行比对，根据两者的差异对所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型进行调整，重复直至所述第一弯曲变形轮廓数据与所述第二弯曲变形轮廓数据吻合为止，最终调整所得的所述平面两个正交方向固有应变沿深度方向的分布模型即为相应工艺参数的激光喷丸在所述材料上所对应的固有应变分布。

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