CN110162834A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种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，其包括以下步骤：利用激光冲击强化系统对零部件进行强化；采集强化过程中产生的光斑参数；检测零部件的三维变形场、应变场和应力场从而获取实测数据，反求零部件高应变率状态下的本构关系；根据光斑参数和本构关系生成零部件激光冲击强化的初步设计；对初步设计进行多光斑激光冲击强化的有限元显式分析获取数值模拟结果；将模拟结果与实测数据对比分析，如计算的误差数值在允许范围外，再对有限元分析的初步设计进行改进，直至误差数值在允许范围内，获取最优有限元模型。此方法进行有限元模拟分析得出的结果将会具有很高的可信度，控制装置可很好的满足质量控制的需求。
Description
技术领域
本发明涉及零部件激光冲击强化领域，特别是涉及一种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。
背景技术
激光冲击强化技术利用纳秒脉冲激光诱导产生的高温、高压的等离子体，在金属材料内引入具有一定深度的残余压应力，能够阻止裂纹的扩展，从而改善金属零件的抗疲劳性能，进一步提高其疲劳寿命，同时材料表面的硬度和耐腐蚀、摩擦等性能也得到提高，激光冲击强化技术被广泛应用于航空、航天等领域。然而，激光冲击过程受到多种可变因素的影响，同时考虑到复杂零件本身的价值，如果单纯依靠实验来优化激光冲击强化工艺参数，势必花费大量的时间和资金。进而选用有限元模拟方法来优化激光冲击强化参数，考虑到激光冲击强化工艺参数在实际的处理过程中具有一定的波动，激光冲击强化作用下金属材料的应变率超过106s-1，常规的有限元模拟方法已不能满足实际的需求，迫切需要一种更贴近实际处理工艺参数的激光冲击强化有限元模拟方法。
对于复杂零件在进行激光冲击强化时，同时也要满足强化质量的要求，这就需要强化质量控制装置，传统的强化质量控制装置大多需要大量的实验数据积累，既费时又费力。
发明内容
本发明的目的在于提供基于采集的激光冲击数据的模拟方法及控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于采集的激光冲击数据的模拟方法，其包括以下步骤：
a、利用激光冲击强化系统对零部件进行强化实验；
b、利用激光冲击强化系统数据自动采集功能，获取强化过程中产生的光斑参数；
c、通过非接触式应变测量与参数反求系统搭配高速摄影机，获取获激光冲击强化过程中零部件的三维变形场和应变场、应力场信息，并进一步反求材料高应变率状态下的本构关系；
d、在ABAQUS中建立零部件的三维模型，基于光斑参数和零件材料的本构关系，完成零部件激光冲击强化的初步设计；
e、基于初步设计进行多光斑激光冲击强化的有限元显式分析获取数值模拟结果；
f、将模拟结果与实测数据进行对比分析，如计算的误差数值在允许范围外，则再对有限元分析的初步设计进行改进，直至误差数值在允许范围内，最终获取最优有限元模型。
进一步地，光斑参数包括每个光斑能量的时间分布数据和空间分布数据。
进一步地，在步骤b中，通过MATLAB对光斑参数进行处理，获得每个光斑能量的时间、空间分布函数。
进一步地，在步骤d中，在ABAQUS中构建有限元模型时，利用激光冲击波载荷与激光能量间的关系，通过VDLOAD子程序来定义冲击波压力时空分布，再利用用户材料子程序VUMAT定义动态分析中的材料性质。
进一步地，一种强化控制控制装置，其包括CAE分析模块、计算机集成控制系统、激光器控制系统、激光器、喷水机器人控制系统、夹持零件机器人控制系统、夹持零件机器人和喷水机器人，所述计算机集成控制系统分别与所述CAE分析模块、所述激光器控制系统、所述喷水机器人控制系统和所述夹持零件机器人控制系统相连接，所述CAE分析模块用于对最优有限元模型分析，所述计算机集成控制系统用于输出工艺参数和发送控制指令，所述激光器控制系统用于控制激光器的激光参数，所述夹持零件机器人控制系统用于控制所述夹持零件机器人工作，所述喷水机器人控制系统用于控制所述喷水机器人工作。
进一步地，所述计算机集成控制系统通过离线编程软件和有限元仿真获得激光冲击强化轨迹，生成机器人运动程序并输入所述机器人控制系统。
进一步地，所述工艺参数包括激光能量、光斑大小、脉宽和搭接率。
本发明的有益效果为：基于此方法进行有限元模拟分析得出的结果将会具有很高的可信度，同时控制装置也可很好的满足质量控制的需求。
附图说明
附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为种基于采集的激光冲击数据的模拟方法的流程图；
图2为在ABAQUS中建立的复杂零件的三维模型；
图3为强化质量控制装置示意图。
具体实施方式
如图1-2中所示，一种基于采集的激光冲击数据的模拟方法，在其中一种实施例中，以TC4钛合金制成的航空发动机叶轮的零部件为实验对象，进行有限元模拟，包括以下步骤：
a、采用激光冲击强化系统对零部件的复杂薄壁件叶片进行处理，设置基本处理工艺参数：激光能量为6J，圆形光斑大小为6mm，脉宽为10ns，脉冲频率为5Hz，搭接率为50%；
b、利用激光冲击强化系统数据自身的自动采集功能，记录的数据包括：每一光斑的脉冲能量、每一光斑的脉冲宽度、选定光斑的完整时间分布、选定光斑的完整空间分布。将采集到的光斑参数导入到MATLAB中，对光斑参数进行拟合，获得每一光斑能量的时间、空间分布函数，利用激光冲击波压力与激光能量之间的关系，获得激光冲击波压力的时间、空间分布函数；
c、通过非接触式应变测量与参数反求系统搭配高速摄影机，快速获取获激光冲击强化过程中零部件的三维变形场和应变场、应力场等实测数据，并进一步反求零部件材料高应变率状态下的本构关系，其中非接触式应变测量与参数反求系统可以采用比利时MatchID公司的MTI-3D系统；
d、根据光斑参数和本构关系在ABAQUS中建立零部件的三维模型，利用激光冲击波载荷与激光能量间的关系，通过VDLOAD子程序来定义冲击波压力时空分布，再利用用户材料子程序VUMAT定义动态分析中的材料性质，完成复杂零部件激光冲击强化的初步设计；
e、对初步设计进行多光斑激光冲击强化的有限元显式分析获取数值模拟结果；
f、将模拟结果与实测数据进行对比分析，如计算的误差数值在允许范围外，则再对有限元分析的初步设计进行改进，直至误差数值在允许范围内，最终获取最优有限元模型。
基于此方法进行有限元模拟分析得出的结果将会具有很高的可信度，更加贴近实际处理工艺参数。
如图3中所示，一种强化质量控制装置，其包括CAE分析模块1、计算机集成控制系统2、激光器控制系统3、激光器4、夹持零件机器人控制系统9和喷水机器人控制系统10、夹持零件机器人6和喷水机器人7，所述计算机集成控制系统2分别与所述CAE分析模块1、所述激光器控制系统3、夹持零件机器人控制系统9和喷水机器人控制系统10相连接。所述夹持零件机器人控制系统9控制夹持零件机器人6工作，所述喷水机器人控制系统10控制所述喷水机器人7工作。所述CAE分析模块1用于对最优有限元模型分析，所述计算机集成控制系统2用于处理所述CAE分析模块1的分析结果并分别对所述激光器控制系统3和所述夹持零件机器人控制系统9发出工艺参数和控制指令，所述激光器控制系统3用于控制激光器4的激光参数，所述夹持零件机器人控制系统9用于控制所述夹持零件机器人6的运动轨迹。
如图3中所示，在实际运行过程中，首先基于采集的激光冲击数据的模拟方法获得最优有限元模型，所述CAE分析模块1对有限元模型进行分析，所述CAE分析模块1将分析完的数据发送至所述计算机集成控制系统2，所述计算机集成控制系统2根据所述CAE分析模块1发送过来的分析数据优化工艺参数，使得零部件8在获得较大残余压应力的同时，零件的变形、表面粗糙度等也满足强化质量要求，接着所述计算机集成控制系统2通过离线编程软件和有限元仿真获得激光冲击强化轨迹，生成机器人运动程序并输入所述夹持零件机器人控制系统9，所述夹持零件机器人控制系统9控制所述夹持零件机器人6夹持起零部件8按照设定的轨迹运动，与此同时，所述计算机集成控制系统2将工艺参数发送至所述激光器控制系统3，所述工艺参数包括激光能量、光斑大小、脉宽和搭接率，所述激光器控制系统3控制所述激光器4按照工艺参数的设定，通过所述激光光路系统11照射在保护层5上面，同时所述喷水机器人控制系统10控制喷水机器人7的运动轨迹，使得在零部件8表层形成具有一定厚度的约束层水，使之能对应所述CAE分析模块1分析数据最佳方式对零部件8进行强化。本强化质量控制装置基于最优有限模型而构建，除了可以节省大量成本外，还可以很好地满足质量控制的需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于采集的激光冲击数据的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、利用激光冲击强化系统对零部件进行强化实验；
b、利用激光冲击强化系统数据自动采集功能，获取强化过程中产生的光斑参数；
c、通过非接触式应变测量与参数反求系统搭配高速摄影机，获取获激光冲击强化过程中零部件的三维变形场和应变场、应力场信息，并进一步反求材料高应变率状态下的本构关系；
d、在ABAQUS中建立零部件的三维模型，基于光斑参数和零件材料的本构关系，完成零部件激光冲击强化的初步设计；
e、基于初步设计进行多光斑激光冲击强化的有限元显式分析获取数值模拟结果；
f、将模拟结果与实测数据进行对比分析，如计算的误差数值在允许范围外，则再对有限元分析的初步设计进行改进，直至误差数值在允许范围内，最终获取最优有限元模型。
2.根据权利要求1所述的基于采集的激光冲击数据的模拟方法，其特征在于：光斑参数包括每个光斑能量的时间分布数据和空间分布数据。
3.根据权利要求2所述的基于采集的激光冲击数据的模拟方法，其特征在于：在步骤b中，通过MATLAB对光斑参数进行处理，获得每个光斑能量的时间、空间分布函数。
4.根据权利要求1所述的基于采集的激光冲击数据的模拟方法，其特征在于：在步骤d中，在ABAQUS中构建有限元模型时，利用激光冲击波载荷与激光能量间的关系，通过VDLOAD子程序来定义冲击波压力时空分布，再利用用户材料子程序VUMAT定义动态分析中的材料性质。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的一种强化质量控制装置，其特征在于，包括CAE分析模块、计算机集成控制系统、激光器控制系统、激光器、喷水机器人控制系统、夹持零件机器人控制系统、夹持零件机器人和喷水机器人，所述计算机集成控制系统分别与所述CAE分析模块、所述激光器控制系统、所述喷水机器人控制系统和所述夹持零件机器人控制系统相连接，所述CAE分析模块用于对最优有限元模型分析，所述计算机集成控制系统用于输出工艺参数和发送控制指令，所述激光器控制系统用于控制激光器的激光参数，所述夹持零件机器人控制系统用于控制所述夹持零件机器人工作，所述喷水机器人控制系统用于控制所述喷水机器人工作。
6.根据权利要求5所述的强化质量控制装置，其特征在于：所述计算机集成控制系统通过离线编程软件和有限元仿真获得激光冲击强化轨迹，生成机器人运动程序并输入所述机器人控制系统。
7.根据权利要求5所述的强化质量控制装置，其特征在于：所述工艺参数包括激光能量、光斑大小、脉宽和搭接率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190823 |