CN110361121B - 一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，包括以下步骤：分别测量激光冲击强化的约束层厚度、激光输出实际能量和光强分布，得到光强分布曲线；根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值；根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得冲击波空间压力分布模型；将冲击波空间压力模型导入到有限元分析软件，得到材料的残余应力整体分布。本发明采用能量计和光束质量分析仪测量激光参数，利用光束质量分析仪所得到的光强分布参数建立相关模型，使得仿真中冲击波压力分布与实际光强分布精确一致，因此相比于传统方法，可以较大幅度提高残余应力预测的准确性，工程应用前景良好。

Description

一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法
技术领域
本发明是一种利用白光共焦位移传感器、光束质量分析仪、能量计等检测装置精确测量激光冲击强化加工参数，建立相关的数学模型，并将此模型导入到有限元分析软件中精确预测激光冲击强化后的残余应力场。本发明与传统激光冲击强化有限元预测方法相比有较高的精度，更有利于工程运用。
背景技术
激光冲击强化技术是一种高效利用激光诱导等离子体冲击波的表面改性技术，其强化原理是用高功率短脉冲的激光轰击金属材料表面的吸收层，吸收层材料吸收激光能量在很短时间内气化电离成等离子体状态，该等离子体会继续吸收能量并快速膨胀。由于受到外层约束层的约束，等离子体形成的高压冲击波向基体内部传播。冲击波的力学效应在材料表层处产生塑性变形，使表层材料微观组织发生变化，并能形成较深的残余压应力层，从而显著提高金属材料疲劳寿命和耐腐蚀、抗磨损性能。由于近三十年来计算机技术的快速发展，许多根据有限元理论研制的仿真软件进入了科研和工程技术人员的视野。在激光冲击强化领域，采用数值模拟对材料残余应力场进行预测相较传统实验手段来讲极大地节约了时间和成本。
现有仿真中的冲击波压力模型多为一维冲击波压力模型，如Fabbro模型。在基于一维冲击波压力模型的前提下，大多数学者使用以下两种冲击波压力空间分布模型1、高斯分布模型。2、平顶分布模型。两种模型较为简单，不足以与实际激光器光强分布相一致，这使得激光冲击强化仿真中存在一定误差，限制了仿真技术在激光冲击强化的实际工程应用。因此迫切需要一种基于实际光强分布的数值模拟预测残余应力场的方法，从而提高数值计算精度，建立工艺库的同时节约工艺试验成本。
发明内容
本发明针对现有激光冲击强化数值模拟准确性较低的问题，提出一种利用白光共焦位移传感器、光束质量分析仪、能量计等检测装置精确测量激光冲击强化加工参数，建立相关的数学模型，并将此模型导入到有限元分析软件中精确预测激光冲击强化后的残余应力场。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，包括以下步骤：
1)分别测量激光冲击强化的约束层厚度、激光输出实际能量和光强分布，得到光强分布曲线；
2)根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值；根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得冲击波空间压力分布模型；
3)将冲击波空间压力模型导入到有限元分析软件，得到材料的残余应力整体分布。
所述根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线包括以下步骤：
选择参数a，b的值带入压力数学模型中，压力数学模型通过拟合得到冲击波压力分布曲线，该曲线与步骤1)得到的光强分布曲线最接近时，该曲线即为最终的冲击波压力分布曲线。
所述最接近具体为：
冲击波压力分布曲线的参数与对应的光强分布曲线的参数之间的误差最小；
光强分布曲线的参数依次为：光强为最大光强的90％以上的作用范围、光强为最大光强的10％以上的作用范围、光强为最大光强的50％以上的作用范围；
冲击波压力分布曲线的参数依次为：平顶冲击波压力时的作用范围、冲击波压力整体的作用范围、冲击波压力为最大冲击波压力的50％以上的作用范围。两种曲线的参数按顺序相互对应。
所述压力数学模型：
Figure BDA0001622187330000021
P0为冲击波压力峰值，x，y为冲击波压力值的空间坐标，a，b为参数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、采用白光共焦位移传感器检测水膜厚度，使得模型可以考虑激光在约束层的衰减作用，提高数值计算的精度。
2、采用能量计和光束质量分析仪测量激光参数，利用光束质量分析仪所得到的光强分布参数建立相关模型，使得仿真中冲击波压力分布与实际光强分布精确一致，因此相比于传统方法，可以较大幅度提高残余应力预测的准确性，工程应用前景良好。
3、所建立的冲击波空间模型能够拟合不同的激光光强分布，在工程中具有广泛的适用性。
附图说明
图1为方法操作流程图；
图2为白光位移传感器测量约束层厚度原理图；
图3为光束质量分析仪测量值；
图4为MATLAB输出的三种方法的二维冲击波压力幅值分布图；
图5为有限元分析软件对三种方法的材料残余应力的预测结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1、采用白光共焦位移传感器测量约束层厚度，采用能量计测量激光输出实际能量，采用光束质量分析仪测量激光光强分布，得到不同方向的分布曲线。
2、根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值。根据光强曲线建立压力数学模型，利用MATLAB软件进行拟合，确定数学模型的具体参数，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得具体的冲击波空间压力分布模型。
3、将得到冲击波压力模型导入到有限元分析软件中，如采用Fortran编辑子程序对ABAQUS中的载荷的进行编辑，从而之后设置材料性能、冲击强化路线、强化次数，确定显性和隐性分析时间等参数，得到材料的残余应力整体分布。
本发明公开了一种基体数值计算的激光冲击强化残余应力场精确预测方法：
1、对激光冲击强化系统进行测量，激光器设置输出激光为6J，Scientech能量计测量5次，测量能量范围为5.84-5.95J平均为5.89J。采用Duma光束质量分析仪在焦点处测量激光光强分布，得到相关参数，如图2所示，从图中可以看出激光光束呈圆形，光强分布较为均匀。可以得到不同方向光强的三个参数：光强90％的范围，此时接近于原模型的平顶分布，光强为50％的范围，表示边缘光强衰减的参数，光强为10％的范围，表示加工具体范围。水平和竖直方向范围相差较小，取平均值，分别得797.1um、1690um和2359.5um。如图3所示。图3中Data代表数据，Width代表光强宽度，Horizontal代表水平，Vertical代表竖直，Centroid代表中心。采用ACR白光共焦位移传感器测量水膜厚度(约束层)，水层平稳，厚度在1.2mm左右波动。
2、根据约束层水膜厚度及激光在水中衰减公式，如公式(1)所示。式中E1、E2为入射前后激光能量，单位为J，L、L0为激光距水面实际长度和吸收长度，单位为mm。本实验所用激光波长为1064nm，吸收长度为35mm，经计算激光能量在经过水层后衰减为原来的96.62％。
Figure BDA0001622187330000041
根据改进后的Fabbro模型(考虑激光在约束层的衰减情况)和实际能量值计算冲击波峰值压力，计算结果为3.6Gpa。公式(2)为该模型的表达式：
Figure BDA0001622187330000042
式中：α为等离子体热能占内能的比例系数，取0.11。Z为基体和约束层的折合声阻抗，取4.41*105g·cm-2·s-1；I0为激光功率密，经计算得8.6GW/cm2；γ为激光在约束层的衰减情况，为96.62％。
3、根据光速质量分析仪得到的曲线建立数学模型，如公式(3)所示，式中x，y为空间坐标，原点为冲击波压力中心，P(x,y)为任意点的冲击波压力值。通过计算未知参数a，b确定具体的压力曲线。根据光束质量分析仪中的参数，利用MATLAB拟合对比，计算误差并修正a和b。当a＝1.15，b＝5，此时冲击波压力的3个参数(冲击波压力平顶的作用范围，既全部为峰值压力、冲击波压力为峰值压力一半的作用范围、冲击波压力整体作用范围)为0.7979mm、1.8065mm、2.3657mm。与光束质量分析仪中的三个参数(光强为最大光强的90％、50％、10％的范围)797.1um，1690um和2359.5um接近，最大误差小于7％，得到冲击波压力分布具体模型，从而保证冲击波压力分布的准确性，与传统模型的冲击波压力分布二维对比如图4所示。
Figure BDA0001622187330000051
4、建立几何模型和定义材料属性：几何尺寸为10*10*5mm的四分之一模型，材料为钛合金TC4，密度为4500kg/cm-3，泊松比为0.34，弹性模量为110000MPa，采用Johnson-Cook模型来描述钛合金TC4的本构关系。显性分析时间为5*10-5s，隐性分析时间为1s。施加载荷和划分网格：约束为底面全约束，在激光冲击强化区域进行网格细化，网格大小为100um*100um*30um。
5、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，包括整体的残余应力场分布，图5为水平方向的残余应力预测结果。

Claims (3)

1.一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)分别测量激光冲击强化的约束层厚度、激光输出实际能量和光强分布，得到光强分布曲线；
2)根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值；根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得冲击波空间压力分布模型；
所述压力数学模型：
Figure FDA0002783890950000011
P0为冲击波压力峰值，x，y为冲击波压力值的空间坐标，a，b为参数；
3)将冲击波空间压力模型导入到有限元分析软件，得到材料的残余应力整体分布。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，其特征在于所述根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线包括以下步骤：
选择参数a，b的值带入压力数学模型中，压力数学模型通过拟合得到冲击波压力分布曲线，该曲线与步骤1)得到的光强分布曲线最接近时，该曲线即为最终的冲击波压力分布曲线。
3.根据权利要求2所述的一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，其特征在于所述最接近具体为：
冲击波压力分布曲线的参数与对应的光强分布曲线的参数之间的误差最小；
光强分布曲线的参数依次为：光强为最大光强的90％以上的作用范围、光强为最大光强的10％以上的作用范围、光强为最大光强的50％以上的作用范围；
冲击波压力分布曲线的参数依次为：平顶冲击波压力时的作用范围、冲击波压力整体的作用范围、冲击波压力为最大冲击波压力的50％以上的作用范围。
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