CN111310375A - 一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，包括以下步骤：S1、构建多组不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片有限元模型，且冲击波压力大于钛合金材料的Hugoniot弹性极限，模拟仿真激光双面同时对冲过程，设置模拟参数；S2、对比分析步骤一中不同冲击波压力作用的钛合金叶片模型沿轴向深度方向的残余应力分布，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力。本发明的方法适用整个对整个叶片的加工，特别是对叶片的边缘进行加工，具有适用范围大和加工质量高的有益效果。

Description

一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工 方法

技术领域

本发明涉及一种激光冲击波压的加工方法，尤其是指一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法。

背景技术

激光冲击强化(laser shock peening/processing，LSP)是一种新型的材料表面强化技术，主要通过超高功率(GW/cm²)、超短脉冲宽度(ns)的激光束穿过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收层，吸收层在激光能量作用下急剧气化，形成高温、高压的等离子体。由于约束层限制，等离子体对金属表面产生超强(GPa)冲击波。当冲击波的峰值压力超过材料的Hugoniot弹性极限，使材料表层产生塑性变形和微观组织变化。当激光冲击结束后，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，提高金属材料综合机械性能，特别是有效提高材料抗疲劳断裂性能和抗外物损伤性能。

航空发动机叶片在高频振动和循环载荷持续作用下容易发生高循环疲劳问题，同时在发动机工作过程中会吸入空气中诸如砂石、碎片、鸟禽、冰雹等杂物，对发动机叶片造成微小损伤。高周疲劳和外物损伤的影响是航空发动机叶片的主要问题，当叶片出现故障后，轻的如变形、腐蚀会影响性能，重的如掉块、折断会打坏压气机甚至发动机，引起失火和飞机失事。航空发动机叶片是典型的高精度、复杂曲面的薄壁类零件，激光冲击是在叶片精加工之后实施的，其疲劳寿命、表面粗糙度、表面位置度和扭转角都必须满足设计要求。同时满足"性能"和"形状"要求十分困难。例如专利CN103014278A公开一种以综合手段提高叶片疲劳强度的方法，该方法采用单面激光冲击强化方法，冲击区域变形较大，冲击面与冲击背面残余应力不一致；专利CN103255268A公开一种优化双面激光同时冲击合金厚度的方法，但是这种方法只适合于4mm以上的叶片区域，而由于叶片的边缘厚度不足1mm，所以这种方法无法对叶片的边缘进行加工，适用范围小，局限性大，使用不方便。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种适用范围大和加工质量高的优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法。本方法模拟在不同冲击波压力作用下的、相同尺寸钛合金叶片有限元模型激光双面同时对冲两个表面及其内部的残余应力场的分布，按照压应力—拉应力—压应力分布的和两侧压应力深度最大选出最优冲击波压力。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，包括以下步骤：

S1、构建多组不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片有限元模型，且冲击波压力大于钛合金材料的Hugoniot弹性极限，模拟仿真激光双面同时对冲过程，设置模拟参数；

S2、对比分析步骤一中不同冲击波压力作用的钛合金叶片模型沿轴向深度方向的残余应力分布，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力：

所述步骤S1中的钛合金叶片有限元模型的长、宽和高分别为15mm、15mm和0.8mm。

所述步骤S1中的Hugoniot弹性极限定义为

式中υ为材料的泊松比，

为动态屈服强度。

所述步骤S1中的模拟参数的具体设置如下：

1)设置材料属性模块输入靶材质量密度(kg/m³)，弹性模量E(MPa)，泊松比，采用Johnson-Cook本构模型，在装配模块中设置实体类型为独立实体；

2)根据模型冲击波作用范围，选择不同的网格尺寸，冲击波作用区域及周边1mm区域网格尺寸为0.1mm，其他区域网格尺寸为0.2mm；

3)设置分析步在初始分析步后面设置Step，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为50000ns，在利用显式模块分析动态应力状态时，时间增量小于钛合金的稳定极限，线性体积粘性参数为0.06，二次体积粘性参数为1.2；

4)根据试验所设的激光的脉冲宽度，设置冲击波压力随时间的变化过程，冲击波压力时间分布的半峰全宽按照3倍激光冲击脉宽设置，冲击波作用在上下底面中心直径为2mm的圆形区域内；

5)在叶片有限元模型一侧，添加U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0的完全固定边界条件，在上下底面施加相同大小的脉冲波压力；最后提交初始Job进行分析；

6)将步骤五计算所得的模拟数据导入到新的模型，设置新模型中载荷的预定义场设为原Job名称，删除原有Step，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改网格单元的类型为隐式，提交新Job进行静态回弹分析，得到稳定的残余应力场。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明通过构建有限元模型模拟不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片的激光双面同时对冲过程，抑制激光冲击叶片变形，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力，使激光双面同时对冲强化效果达到最佳，同时也使双面残余应力分布一致，从而提高钛合金叶片双面综合机械性能。该方法适用整个对整个叶片的加工，特别是对叶片的边缘进行加工，具有适用范围大和加工质量高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法的仿真结果变化图。

图2是本发明优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法的冲击波压对冲结构示意图。

图3是本发明优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法的加工流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1至图3，本实施例涉及优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，包括以下步骤：

S1、构建多组不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片有限元模型，且冲击波压力大于钛合金材料的Hugoniot弹性极限，模拟仿真激光双面同时对冲过程，设置模拟参数；

S2、对比分析步骤一中不同冲击波压力作用的钛合金叶片模型沿轴向深度方向的残余应力分布，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力：

所述步骤S1中的钛合金叶片有限元模型的长、宽和高分别为15mm、15mm和0.8mm。

所述步骤S1中的Hugoniot弹性极限定义为

式中υ为材料的泊松比，

为动态屈服强度。

所述步骤S1中的模拟参数的具体设置如下：

1)设置材料属性模块输入靶材质量密度(kg/m³)，弹性模量E(MPa)，泊松比，采用Johnson-Cook本构模型，在装配模块中设置实体类型为独立实体；

2)根据模型冲击波作用范围，选择不同的网格尺寸，冲击波作用区域及周边1mm区域网格尺寸为0.1mm，其他区域网格尺寸为0.2mm；

3)设置分析步在初始分析步后面设置Step，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为50000ns，在利用显式模块分析动态应力状态时，时间增量小于钛合金的稳定极限，线性体积粘性参数为0.06，二次体积粘性参数为1.2；

4)根据试验所设的激光的脉冲宽度，设置冲击波压力随时间的变化过程，冲击波压力时间分布的半峰全宽按照3倍激光冲击脉宽设置，冲击波作用在上下底面中心直径为2mm的圆形区域内；

5)在叶片有限元模型一侧，添加U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0的完全固定边界条件，在上下底面施加相同大小的脉冲波压力；最后提交初始Job进行分析；

6)将步骤五计算所得的模拟数据导入到新的模型，设置新模型中载荷的预定义场设为原Job名称，删除原有Step，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改网格单元的类型为隐式，提交新Job进行静态回弹分析，得到稳定的残余应力场。

具体的，以航空发动机叶片材料采用TC4为例。叶片有限元模型尺寸15mm*15mm*0.8mm(长度*宽度*厚度)，密度为ρ＝4500kg/m^-3，泊松比为υ＝0.34，弹性模量E＝110000MPa，动态屈服强度为

得Hugoniot弹性极限：

TC4的动态本构模型采用Johnson-Cook模型，模型表达式为：

A为屈服强度，B和n反应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，代表等效塑性应变,为静态应变速率。本实施例中取值为A＝1060MPa，B＝1090MPa，n＝0.884，C＝0.0117，ε₀＝0.01s^-1。

在装配模块中导入部件实体，并设置独立实体类型。在网格模块中根据模型冲击波作用范围，选择不同的网格尺寸，冲击波作用区域及周边1mm区域网格尺寸为0.1mm，其他区域网格尺寸为0.2mm。

设置分析步在初始分析步后面设置Step，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为50000ns。在利用显式模块分析动态应力状态时，线性体积粘性参数为0.06，二次体积粘性参数为1.2。时间增量小于钛合金的稳定极限，稳定极限用单元长度和材料波速定义：。单元长度为最小单元尺寸，材料波速由公式，泊松比，E弹性模量，密度。经过计算得＝6132m/s，且＝0.1mm，16.3ns。为了提高计算效率，使时间增量应尽可能接近而且又不超过稳定极限，最终确定为15ns。

试验所设的激光的脉冲宽度为8ns，冲击波压力随时间的变化过程设置如图1所示，冲击波压力时间分布的半峰全宽按照3倍激光冲击脉宽设置，冲击波作用在上下底面中心直径为2mm的圆形区域内。

在叶片有限元模型一侧，添加U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0的完全固定边界条件，在上下底面施加相同大小的脉冲波压力，如图2所示。冲击波压力大于Hugoniot弹性极限，设置六组不同脉冲波压力作用模型，模型A1、A2、A3、A4、A5、A6的冲击波压力分别为3500MPa、4000MPa、4500MPa、5000MPa、5500MPa、6000MPa。提交六组模型初始Job进行分析。

计算所得的模拟数据导入到新的模型，设置新模型中载荷的预定义场设为原Job名称，删除原有Step，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改网格单元的类型为隐式，提交新Job进行静态回弹分析，得到稳定的残余应力场。对比分析不同冲击波压力作用的钛合金叶片模型沿轴向深度方向的残余应力分布，如表1所示。将同时满足以下二点要求的模型冲击波压力作为最优冲击波压力：(1)两侧表面压应力值最大(2)两侧压应力深度最大。通过表1仿真结果可知，冲击波压力最优为5000MPa。

本方法通过构建有限元模型模拟不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片的激光双面同时对冲过程，抑制激光冲击叶片变形，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力，使激光双面同时对冲强化效果达到最佳，同时也使双面残余应力分布一致，从而提高钛合金叶片双面综合机械性能。该方法适用整个对整个叶片的加工，特别是对叶片的边缘进行加工，具有适用范围大和加工质量高的优点。

表1

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建多组不同冲击波压力作用的、相同尺寸钛合金叶片有限元模型，且冲击波压力大于钛合金材料的Hugoniot弹性极限，模拟仿真激光双面同时对冲过程，设置模拟参数；

S2、对比分析步骤一中不同冲击波压力作用的钛合金叶片模型沿轴向深度方向的残余应力分布，将同时满足两侧表面压应力值最大和两侧压应力深度最大的模型冲击波压力作为最优冲击波压力。

2.根据权利要求1所述的一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中的钛合金叶片有限元模型的长、宽和高分别为15mm、15mm和0.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中的Hugoniot弹性极限定义为

式中υ为材料的泊松比，

为动态屈服强度。

4.根据权利要求1所述的一种优化激光双面同时对冲钛合金叶片冲击波压力的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中的模拟参数的具体设置如下：

1)设置材料属性模块输入靶材质量密度(kg/m³)，弹性模量E(MPa)，泊松比，采用Johnson-Cook本构模型，在装配模块中设置实体类型为独立实体；

2)根据模型冲击波作用范围，选择不同的网格尺寸，冲击波作用区域及周边1mm区域网格尺寸为0.1mm，其他区域网格尺寸为0.2mm；

3)设置分析步在初始分析步后面设置Step，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为50000ns，在利用显式模块分析动态应力状态时，时间增量小于钛合金的稳定极限，线性体积粘性参数为0.06，二次体积粘性参数为1.2；

4)根据试验所设的激光的脉冲宽度，设置冲击波压力随时间的变化过程，冲击波压力时间分布的半峰全宽按照3倍激光冲击脉宽设置，冲击波作用在上下底面中心直径为2mm的圆形区域内；

5)在叶片有限元模型一侧，添加U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0的完全固定边界条件，在上下底面施加相同大小的脉冲波压力；最后提交初始Job进行分析；

6)将步骤五计算所得的模拟数据导入到新的模型，设置新模型中载荷的预定义场设为原Job名称，删除原有Step，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改网格单元的类型为隐式，提交新Job进行静态回弹分析，得到稳定的残余应力场。

Images