CN113312825B - 一种激光喷丸强化效果监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光喷丸强化效果监测方法及装置，其方法通过对基于第一激光喷丸策略获得的新共振条件与初始共振条件进行差别比较，从而得出满足要求的第一激光喷丸策略，通过改变零件的共振振动频率和振幅等共振条件来提高零件的疲劳寿命。同时，通过振动响应技术得到激光喷丸处理后的待处理的零件的真实测量值，并基于真实测量值与振动模态特性进行对比分析，得到更加精确的第二激光喷丸策略，并得到基于第二激光喷丸策略相应的真实测量值，从而通过迭代处理确定出最佳的激光喷丸策略，解决了在零件结构复杂性较高的情况下，难以对激光喷丸的强化效果进行监测的技术问题。

Description

一种激光喷丸强化效果监测方法及装置

技术领域

本申请涉及激光冲击检测技术领域，尤其涉及一种激光喷丸强化效果监测方法及装置。

背景技术

随着国家工业制造不断进步，类似于燃气轮机、涡轮发动机的大型机械装备广泛应用于国家水运、交通、电力、航空以及航天领域。其中，鉴于这类大型机械装备的工作环境载荷以及高速运行的条件，系统类部件常因振动、疲劳裂纹等造成零件失效，例如：旋转机械由于共振效果可能产生造成机械破坏。

为了解决上述问题，通常使用激光喷丸来提高零件疲劳强度和寿命。而激光喷丸是一种新型的材料表面处理技术，是利用强激光束产生的等离子冲击波，在金属表面层形成高幅值的残余压应力并引起微观组织变化，通过引入残余应力场抑制裂纹萌生和扩展来提高零件疲劳强度和寿命。

尽管通过激光喷丸可以对零件进行表面处理，但由于某些零件结构的复杂性，难以对激光喷丸的强化效果进行监测，从而导致激光喷丸的加工策略无法达到最优策略，影响提高零件疲劳强度和寿命的效果。

因此，目前亟需一种能够可靠评估激光喷丸强化效果的方法。

发明内容

本申请提供了一种激光喷丸强化效果监测方法及装置，用于解决在零件结构复杂性较高的情况下，难以对激光喷丸的强化效果进行监测的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种激光喷丸强化效果监测方法，包括以下步骤：

S1、根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立所述待处理的零件的动力学模型，对所述动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到所述待处理的零件的振动模态特性；

S2、根据所述待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立所述待处理的零件的有限元几何模型，根据所述待处理的零件的工作载荷条件，获得所述待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，所述初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；

S3、在有限元软件中，对所述有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得所述激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；

S4、通过步骤S3对所述仿真加工参数和所述输出参量迭代计算，并拟合得到仿真加工参数和所述输出参量的函数关系；

S5、根据所述危险工作区域及其初始共振条件以及基于拟合得到的所述仿真加工参数和所述输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据所述第一激光喷丸策略在所述危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变所述危险工作区域的共振条件，以避免所述危险工作区域发生共振引发的失效；所述第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

S6、在有限元软件中，对所述第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到所述危险工作区域的新共振条件，将所述新共振条件和所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，若上述判断为符合，则执行步骤S7，若上述判断为不符合，则转至步骤S5，从而重新确定所述第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至所述第一激光喷丸策略符合所述第一预设设计要求；

S7、根据所述第一激光喷丸策略控制激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

S8、基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的所述待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，所述真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及所述危险工作区域的共振节点线变化量；

S9、将所述真实测量值与所述振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；

S10、根据步骤S7～S8从而将根据所述第二激光喷丸策略对所述待处理的零件进行激光喷丸处理，从而得到相应的真实测量值，将所述真实测量值与所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，若上述判断为符合，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，若上述判断为不符合，则转至步骤S9，以此进行迭代处理，直至所述第二激光喷丸策略符合所述第二预设设计要求。

优选地，所述激光喷丸的加工参数包括激光能量、光斑形状、光斑尺寸、光斑搭接率、涂水层厚度、激光喷丸扫描路径、激光喷丸次数、激光器发射激光时序系列。

优选地，步骤S4中的仿真加工参数和所述输出参量的函数关系包括：仿真加工参数与残余压应力层的函数关系、仿真加工参数与残余压应力分布的函数关系、以及仿真加工参数与固有共振频率的函数关系。

优选地，步骤S7具体包括：

S701、将所述待处理的零件夹持于夹持机器人的工具夹持末端，基于所述第一激光喷丸策略编写所述夹持机器人的运动路径程序；

S702、根据所述第一激光喷丸策略确定所述激光喷丸设备输出的激光喷丸的加工参数；

S703、根据所述激光喷丸的加工参数控制所述激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理。

优选地，在步骤S703之前包括：根据所述第一激光喷丸策略编写涂水机器人的涂水轨迹程序，以实现所述涂水机器人与所述夹持机器人协同联动，所述涂水机器人用于对所述待处理的零件进行喷水。

第二方面，本发明还提供了一种实现如上述的激光喷丸强化效果监测方法的监测装置，包括第一计算机有限元仿真系统、第二计算机有限元仿真系统、计算机控制及专家系统、激光喷丸设备、固有频率确定测量设备；

所述第一计算机有限元仿真系统用于根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立所述待处理的零件的动力学模型，还用于对所述动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到所述待处理的零件的振动模态特性；

所述第二计算机有限元仿真系统用于根据所述待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立所述待处理的零件的有限元几何模型，还用于根据所述待处理的零件的工作载荷条件，获得所述待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，所述初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；还用于对所述有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得所述激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；还用于通过对所述仿真加工参数和所述输出参量迭代计算，拟合得到仿真加工参数和所述输出参量的函数关系；

所述计算机控制及专家系统用于根据所述危险工作区域及其初始共振条件以及基于拟合得到的所述仿真加工参数和所述输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据所述第一激光喷丸策略在所述危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变所述危险工作区域的共振条件，以避免所述危险工作区域发生共振引发的失效；所述第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

所述第二计算机有限元仿真系统还用于对所述第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到所述危险工作区域的新共振条件；

所述计算机控制及专家系统还用于将所述新共振条件和所述初始共振条件进行差别比较，还用于根据差别比较结果判断所述第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，还用于当所述第一激光喷丸策略符合第一预设设计要求，则生成喷丸工作信号，若还用于当所述第一激光喷丸策略不符合第一预设设计要求，则重新确定所述第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至所述第一激光喷丸策略符合所述第一预设设计要求；

所述激光喷丸设备用于对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

所述计算机控制及专家系统还用于根据所述第一激光喷丸策略控制所述激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

所述固有频率确定测量设备用于基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的所述待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，所述真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及所述危险工作区域的共振节点线变化量；

所述计算机控制及专家系统还用于将所述真实测量值与所述振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；还用于根据所述第二激光喷丸策略对所述待处理的零件进行激光喷丸处理，从而通过所述固有频率确定测量设备得到相应的真实测量值，还用于将所述真实测量值与所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，还用于当所述第二激光喷丸策略符合第二预设设计要求，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，还用于当所述第二激光喷丸策略不符合第二预设设计要求，则重新将真实测量值与振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得新的激光喷丸策略。

优选地，所述激光喷丸设备的激光能量为5～40J，激光喷丸光束为平顶光束，光班尺寸为2mm～8mm，激光脉冲宽度为8ns～24ns，脉冲重复率为1HZ～20HZ。

优选地，所述激光喷丸设备的激光输出光路中设有用于将圆形光斑转换为方形光斑的光斑形状变化装置。

优选地，本装置还包括夹持机器人、夹持控制系统；

所述夹持机器人设有工具夹持末端，所述工具夹持末端用于夹持所述待处理的零件；

所述夹持控制系统的输入端与所述计算机控制及专家系统连接，所述夹持控制系统的输出端与所述夹持机器人连接，用于基于所述计算机控制及专家系统输出的激光喷丸策略编写所述夹持机器人的运动路径程序，还用于通过所述运动路径程序控制所述夹持机器人的所述工具夹持末端运动。

优选地，本装置还包括涂水机器人和涂水控制系统；

所述涂水机器人设有喷水器，所述喷水器用于对所述待处理的零件进行喷水；

所述涂水控制系统的输入端与所述计算机控制及专家系统连接，所述涂水控制系统的输出端与所述涂水机器人连接，用于根据所述计算机控制及专家系统输出的激光喷丸策略编写所述涂水机器人的涂水轨迹程序，还用于根据涂水轨迹程序控制所述涂水控制系统的所述喷水器进行喷水，以实现所述涂水机器人与所述夹持机器人协同联动。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明基于对待处理的零件进行有限元分析并确定第一激光喷丸策略，来改变所述危险工作区域的初始共振条件，以避免危险工作区域发生共振引发的失效，减小对零件表面的损伤。通过对基于第一激光喷丸策略获得的新共振条件与初始共振条件进行差别比较，从而得出满足预设设计要求的第一激光喷丸策略，从而可以减少复杂环境载荷工作的零件在特定频率下损伤的振动振幅，并通过改变零件的共振振动频率和振幅来提高零件的疲劳寿命。同时，通过基于振动响应技术得到激光喷丸处理后的待处理的零件的真实测量值，并基于真实测量值与振动模态特性进行对比分析，得到更加精确的第二激光喷丸策略，并得到基于第二激光喷丸策略相应的真实测量值，通过对真实测量值与初始共振条件进行差别比较，从而通过迭代处理确定出最佳的激光喷丸策略，解决了在零件结构复杂性较高的情况下，难以对激光喷丸的强化效果进行监测的技术问题。同时，通过反复迭代处理获得最佳的激光喷丸策略，提高了确认激光喷丸的强化效果的可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种激光喷丸强化效果监测装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激光喷丸强化效果监测方法的流程图；

图3a为本申请实施例提供的叶片形零件的正面结构示意图；

图3b为本申请实施例提供的叶片形零件的端面结构示意图；

图4a为本申请提供的叶片形零件的一阶弯曲共振模态示意图；

图4b为本申请提供的叶片形零件的一阶扭曲共振模态示意图；

图5a为本申请示例一提供的叶片形零件的激光喷丸区域示意图；

图5b为本申请示例二提供的叶片形零件的激光喷丸区域示意图；

图5c为本申请示例三提供的叶片形零件的激光喷丸区域示意图；

图5d为本申请示例四提供的叶片形零件的激光喷丸区域示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

针对水运、交通、电力、航空以及航天等领域内零件结构的复杂性和特殊性，虽然可以通过激光喷丸来对零件进行表面处理，但由于某些零件结构的复杂性，难以对激光喷丸的强化效果进行监测，从而导致激光喷丸的加工策略无法达到最优策略，影响提高零件疲劳强度和寿命的效果。

为此，本发明提供了一种激光喷丸强化效果监测装置，请参阅图1，本装置包括：第一计算机有限元仿真系统11、第二计算机有限元仿真系统12、计算机控制及专家系统21、激光喷丸设备31、固有频率确定测量设备41、夹持机器人51、涂水机器人61、夹持控制系统52和涂水控制系统62；

第一计算机有限元仿真系统11用于根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立待处理的零件的动力学模型，还用于对动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到待处理的零件的振动模态特性；

第二计算机有限元仿真系统12用于根据待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立待处理的零件的有限元几何模型，还用于根据待处理的零件的工作载荷条件，获得待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；还用于对有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；还用于通过对仿真加工参数和输出参量迭代计算，拟合得到仿真加工参数和输出参量的函数关系；

计算机控制及专家系统21用于根据危险工作区域及其初始共振条件以及基于拟合得到的仿真加工参数和输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据第一激光喷丸策略在危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变危险工作区域的共振条件，以避免危险工作区域发生共振引发的失效；第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

第二计算机有限元仿真系统12还用于对第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到危险工作区域的新共振条件；

计算机控制及专家系统21还用于将新共振条件和初始共振条件进行差别比较，还用于根据差别比较结果判断第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，还用于当第一激光喷丸策略符合第一预设设计要求，则生成喷丸工作信号，若还用于当第一激光喷丸策略不符合第一预设设计要求，则重新确定第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至第一激光喷丸策略符合第一预设设计要求；

激光喷丸设备31用于对待处理的零件进行激光喷丸处理；

计算机控制及专家系统21还用于根据第一激光喷丸策略控制激光喷丸设备31对待处理的零件进行激光喷丸处理；

固有频率确定测量设备41用于基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及危险工作区域的共振节点线变化量；

需要说明的是，固有频率确定测量装置可以用来测量部件各阶固有频率，如接触式和非接触式的测量装置，振动响应技术可以采用应变片法、应力计法、光纤传感器测量法、电容传感器测量法、电涡流传感器测量法、磁阻传感器测量法或微波传感器测量法。

计算机控制及专家系统21还用于将真实测量值与振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；还用于根据第二激光喷丸策略对待处理的零件进行激光喷丸处理，从而通过固有频率确定测量设备41得到相应的真实测量值，还用于将真实测量值与初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，还用于当第二激光喷丸策略符合第二预设设计要求，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，还用于当第二激光喷丸策略不符合第二预设设计要求，则重新将真实测量值与振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得新的激光喷丸策略。

进一步地，激光喷丸设备31的激光能量为5～40J，激光喷丸光束为平顶光束，光班尺寸为2mm～8mm，激光脉冲宽度为8ns～24ns，脉冲重复率为1HZ～20HZ。

可以理解的是，将激光喷丸光束设置为平顶光束，不至于较大程度的改变零件的表面形状，减小对零件的损伤。

进一步地，激光喷丸设备31的激光输出光路中设有用于将圆形光斑转换为方形光斑的光斑形状变化装置。

具体地，光斑形状变化装置71可以采用方形光阑或其它改变光斑形状装置。

进一步地，夹持机器人51设有工具夹持末端，工具夹持末端用于夹持待处理的零件；

夹持控制系统52的输入端与计算机控制及专家系统21连接，夹持控制系统52的输出端与夹持机器人51连接，用于基于计算机控制及专家系统21输出的激光喷丸策略编写夹持机器人51的运动路径程序，还用于通过运动路径程序控制夹持机器人51的工具夹持末端运动。

进一步地，涂水机器人61设有喷水器，喷水器用于对待处理的零件进行喷水；

涂水控制系统62的输入端与计算机控制及专家系统21连接，涂水控制系统62的输出端与涂水机器人61连接，用于根据计算机控制及专家系统21输出的激光喷丸策略编写涂水机器人61的涂水轨迹程序，还用于根据涂水轨迹程序控制涂水控制系统62的喷水器进行喷水，以实现涂水机器人61与夹持机器人51协同联动。

以下为本实施例提供的一种激光喷丸强化效果监测装置的工作流程的详细描述。

为了方便理解，请参阅图2，本申请提供的一种激光喷丸强化效果监测方法，包括以下步骤：

S1、根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立待处理的零件的动力学模型，对动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到待处理的零件的振动模态特性；

需要说明的是，振动模态特性包括各阶固有模态、临界转速、稳态不平衡响应、各阶振动节点线、共振频率以及振动模态频率。

S2、根据待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立待处理的零件的有限元几何模型，根据待处理的零件的工作载荷条件，获得待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；

需要说明的是，根据零件的几何特性建立几何模型，并划分有限元网格模型，并设置零件的材料特性参数，如弹性模量，密度等物性及力学性能参数，根据工作载荷设置载荷及边界条件，则可以根据有限元几何模型计算零件的相关危险工作区域及初始共振条件。

S3、在有限元软件中，对有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；

S4、通过步骤S3对仿真加工参数和输出参量迭代计算，并拟合得到仿真加工参数和输出参量的函数关系；

可以理解的是，在有限元软件中，建立待处理的零件的有限元几何模型后，以激光喷丸作为工作载荷，并以仿真加工参数作为输入量，而输出参量为预先设置，通过多次迭代处理并拟合，可以得到仿真加工参数和输出参量的函数关系。

S5、根据危险工作区域及其初始共振条件以及基于拟合得到的仿真加工参数和输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据第一激光喷丸策略在危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变危险工作区域的共振条件，以避免危险工作区域发生共振引发的失效；第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

需要说明的是，通过危险工作区域及初始共振条件，可以确定危险工作区域的应力集中情况以及危险工作区域的共振频率；同时，通过激光喷丸仿真得到的一系列仿真加工参数和输出参量的函数关系，可以确定针对改变危险工作区域的应力集中情况以及危险工作区域的共振频率的加工参数、激光喷丸区域位置等激光喷丸策略，从而可以改变危险工作区域的残余应力分布情况以及共振频率等振动模态特性，以达到改变原始危险工作区域的应力集中以及共振频率的特性，也即得到第一激光喷丸策略。

S6、在有限元软件中，对第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到危险工作区域的新共振条件，将新共振条件和初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，若上述判断为符合，则执行步骤S7，若上述判断为不符合，则转至步骤S5，从而重新确定第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至第一激光喷丸策略符合第一预设设计要求；

需要说明的是，初始共振条件即是在没有施加激光喷丸前的待处理零件的共振特性。而将新共振条件和初始共振条件进行差别比较，可以得出新共振条件和初始共振条件中的各个共振参数的差别大小，如果差值较大，且差值大于预设差值，则判断第一激光喷丸策略是否符合预设设计要求。其中，预设差值与材料特性以及工作载荷的波动幅度有关。

同时，当新共振条件和初始共振条件的差别较大时，则说明施加第一激光喷丸策略下的待处理的零件的共振特性与没有施加激光喷丸的待处理的零件的共振特性有较大差别，共振特性发生转移或共振频率不一致，就可以减少特定频率(如共振发生)损伤的振动振幅，也即施加激光喷丸后的待处理的零件的共振特性不再是没有施加激光喷丸的待处理的零件的共振特性，说明改变了复杂的零件(翼形件或叶片)在工作载荷下的共振阶频率及模态振型，在待处理的零件工作载荷下，共振固有频率已经移出了危险工作区域。从而说明从而可以减少复杂环境载荷工作的零件在特定频率下损伤的振动振幅，改善了零件的共振特性，提高了零件的疲劳寿命。

S7、根据第一激光喷丸策略控制激光喷丸设备对待处理的零件进行激光喷丸处理；

S8、基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及危险工作区域的共振节点线变化量；

在一个具体实施示例中，借助应变片法进行叶片和轮盘振动应力测量，可在叶片根部和轮盘不同半径上均贴有应变片、应变仪信号记录在相关磁带机或用于存储信号变化的存储介质上，同时，通过振幅检波器和微型计算机进行数据收集和处理，从而确定叶片和轮盘的振动频率。

S9、将真实测量值与振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；

需要说明的是，将真实测量值与振动模态特性进行对比，从而可以得出真实测量值与振动模态特性之间的各个参数的差值，若差值较小，且差值小于预设的参数差值时，则说明在对待处理的零件进行激光喷丸处理过程中，可能出现了漏喷或少喷等情况，则需要进行补喷，也可以是由于涂水机器人喷水的偶然性变化导致上述差值较小。因此，需要根据差值结果对仿真加工参数进行补偿或修正，如激光能量、喷丸位置、喷丸面积以及喷丸轨迹等加工参数。同时，随着对仿真加工参数的补偿或修正，也就可以修正仿真加工参数和输出参量的函数关系，从而得到第二激光喷丸策略。

S10、根据步骤S7～S8从而将根据第二激光喷丸策略对待处理的零件进行激光喷丸处理，从而得到相应的真实测量值，将真实测量值与初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，若上述判断为符合，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，若上述判断为不符合，则转至步骤S9，以此进行迭代处理，直至第二激光喷丸策略符合第二预设设计要求。

需要说明的是，将真实测量值与初始共振条件进行差别比较，可以判断出真实测量值与初始共振条件中各个参数的差值大小，当其两者的差值较大，且差值大于预设差值时，则说明第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求。同时，当其两者的差别较大，可以说明在施加第一激光喷丸策略下的待处理的零件的共振特性与没有施加激光喷丸的待处理的零件的共振特性有较大差别，也即施加激光喷丸后的待处理的零件的共振特性不再是没有施加激光喷丸的待处理的零件的共振特性，说明待处理的零件工作载荷下，共振固有频率已经移出了危险工作区域，或是施加激光喷丸后的待处理的零件的共振频率满足部件工作的固有频率变化包络线的要求，其中，固有频率变化包络线是可以通过在没有施加激光喷丸前的待处理零件在工作载荷下，进行计算机有限元仿真得到。

本实施例基于对待处理的零件进行有限元分析并确定第一激光喷丸策略，来改变危险工作区域的初始共振条件，以避免危险工作区域发生共振引发的失效，减小对零件表面的损伤。通过对基于第一激光喷丸策略获得的新共振条件与初始共振条件进行差别比较，从而得出满足预设设计要求的第一激光喷丸策略，从而可以减少复杂环境载荷工作的零件在特定频率下损伤的振动振幅，并通过改变零件的共振振动频率和振幅来提高零件的疲劳寿命。同时，通过基于振动响应技术得到激光喷丸处理后的待处理的零件的真实测量值，并基于真实测量值与振动模态特性进行对比分析，得到更加精确的第二激光喷丸策略，并得到基于第二激光喷丸策略相应的真实测量值，通过对真实测量值与初始共振条件进行差别比较，从而通过迭代处理确定出最佳的激光喷丸策略，解决了在零件结构复杂性较高的情况下，难以对激光喷丸的强化效果进行监测的技术问题。同时，通过反复迭代处理获得最佳的激光喷丸策略，提高了确认激光喷丸的强化效果的可靠性。

进一步地，激光喷丸的加工参数包括激光能量、光斑形状、光斑尺寸、光斑搭接率、涂水层厚度、激光喷丸扫描路径、激光喷丸次数、激光器发射激光时序系列。

进一步地，步骤S4中的仿真加工参数和输出参量的函数关系包括：仿真加工参数与残余压应力层的函数关系、仿真加工参数与残余压应力分布的函数关系、以及仿真加工参数与固有共振频率的函数关系。

需要说明的是，仿真加工参数与残余压应力层的函数关系、仿真加工参数与残余压应力分布的函数关系、以及仿真加工参数与固有共振频率的函数关系都是与复杂的零件的设计性能和工作载荷有关，如零件的疲劳特性(如低周或高周疲劳特性，共振发生位置、区域或节线)。通过在零件进行激光喷丸后形成残余压应力层以及残余压应力分布可以提高其疲劳寿命。

进一步地，步骤S7具体包括：

S701、将待处理的零件夹持于夹持机器人的工具夹持末端，基于第一激光喷丸策略编写夹持机器人的运动路径程序；

S702、根据第一激光喷丸策略确定激光喷丸设备输出的激光喷丸的加工参数；

S703、根据激光喷丸的加工参数控制激光喷丸设备对待处理的零件进行激光喷丸处理。

需要说明的是，第一激光喷丸策略包括激光喷丸扫描路径、激光喷丸次数、激光器发射激光时序系列，通过编写夹持机器人的运动路径程序以实现与第一激光喷丸策略中的激光喷丸扫描路径、激光喷丸次数、激光器发射激光时序系列进行协同工作，从而实现将夹持机器人和激光喷丸设备进行联动配合。

进一步地，在步骤S703之前包括：根据第一激光喷丸策略编写涂水机器人的涂水轨迹程序，以实现涂水机器人与夹持机器人协同联动，涂水机器人用于对待处理的零件进行喷水。

需要说明的是，通过编写涂水机器人的涂水轨迹程序以实现与第一激光喷丸策略进行协同工作，从而实现涂水机器人与夹持机器人协同联动，避免激光反射造成的能量损失，该涂水机器人的末端安装有用于对零件喷水的喷水器。

以下为结合本实施例提供的激光喷丸强化效果监测方法提供的激光喷丸策略的部分示例，其中，如图3a～3b所示，下述的示例均以叶片形零件作为待激光喷丸处理的零件，同时，又如图4a～4b所示，分别为叶片的一阶弯曲共振模态和一阶扭曲共振模态。

示例一

如图5a所示，图5a示意出了叶片形零件的激光喷丸区域，其材料为TC4，针对其一阶弯曲共振模态，在其进气边和排气边两侧进行激光喷丸处理，具体采用如下加工参数进行激光喷丸处理：激光能量6J，激光波长为1053nm，脉冲宽度为22ns,圆形光斑，光斑直径为3mm,搭接率为50％，重复频率为10Hz。

示例二

如5b所示，图5b示意出了叶片形零件的激光喷丸区域，其材料为TC4，针对其一阶扭曲共振模态，在其叶身中部区域进行竖向激光喷丸处理，具体采用如下加工参数进行激光喷丸处理：激光能量6J，激光波长为1053nm，脉冲宽度为22ns,圆形光斑，光斑直径为3mm,搭接率为50％，重复频率为10Hz。

示例三

如图5c所示，图5c示意出了叶片形零件的激光喷丸区域，其材料为TC4，针对其一阶扭曲共振模态，在其叶身中部区域进行横向激光喷丸处理，具体采用如下加工参数进行激光喷丸处理：激光能量6J，激光波长为1053nm，脉冲宽度为22ns,圆形光斑，光斑直径为3mm,搭接率为50％，重复频率为10Hz。

示例四

如图5d所示，图5d示意出了叶片形零件的激光喷丸区域，其材料为TC4，针对其一阶扭曲共振模态，在其叶身中部区域进行横向激光喷丸处理，具体采用如下加工参数进行激光喷丸处理：激光能量6J，激光波长为1053nm，脉冲宽度为22ns,方形光斑，光斑直径为3mm,搭接率为50％，重复频率为10Hz。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光喷丸强化效果监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立所述待处理的零件的动力学模型，对所述动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到所述待处理的零件的振动模态特性；

S2、根据所述待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立所述待处理的零件的有限元几何模型，根据所述待处理的零件的工作载荷条件，获得所述待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，所述初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；

S3、在有限元软件中，对所述有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得所述激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；

S4、通过步骤S3对所述仿真加工参数和所述输出参量迭代计算，并拟合得到仿真加工参数和所述输出参量的函数关系；

S5、根据所述危险工作区域和初始共振条件以及基于拟合得到的所述仿真加工参数和所述输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据所述第一激光喷丸策略在所述危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变所述危险工作区域的共振条件，以避免所述危险工作区域发生共振引发的失效；所述第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

S6、在有限元软件中，对所述第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到所述危险工作区域的新共振条件，将所述新共振条件和所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，若上述判断为符合，则执行步骤S7，若上述判断为不符合，则转至步骤S5，从而重新确定所述第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至所述第一激光喷丸策略符合所述第一预设设计要求；

S7、根据所述第一激光喷丸策略控制激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

S8、基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的所述待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，所述真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及所述危险工作区域的共振节点线变化量；

S9、将所述真实测量值与所述振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；

S10、根据步骤S7～S8从而将根据所述第二激光喷丸策略对所述待处理的零件进行激光喷丸处理，从而得到相应的真实测量值，将所述真实测量值与所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，若上述判断为符合，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，若上述判断为不符合，则转至步骤S9，以此进行迭代处理，直至所述第二激光喷丸策略符合所述第二预设设计要求。

2.根据权利要求1所述的激光喷丸强化效果监测方法，其特征在于，所述激光喷丸的加工参数包括激光能量、光斑形状、光斑尺寸、光斑搭接率、涂水层厚度、激光喷丸扫描路径、激光喷丸次数、激光器发射激光时序系列。

3.根据权利要求2所述的激光喷丸强化效果监测方法，其特征在于，步骤S4中的仿真加工参数和所述输出参量的函数关系包括：仿真加工参数与残余压应力层的函数关系、仿真加工参数与残余压应力分布的函数关系、以及仿真加工参数与固有共振频率的函数关系。

4.根据权利要求2所述的激光喷丸强化效果监测方法，其特征在于，步骤S7具体包括：

S701、将所述待处理的零件夹持于夹持机器人的工具夹持末端，基于所述第一激光喷丸策略编写所述夹持机器人的运动路径程序；

S702、根据所述第一激光喷丸策略确定所述激光喷丸设备输出的激光喷丸的加工参数；

S703、根据所述激光喷丸的加工参数控制所述激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理。

5.根据权利要求4所述的激光喷丸强化效果监测方法，其特征在于，在步骤S703之前包括：根据所述第一激光喷丸策略编写涂水机器人的涂水轨迹程序，以实现所述涂水机器人与所述夹持机器人协同联动，所述涂水机器人用于对所述待处理的零件进行喷水。

6.一种实现如权利要求1所述的激光喷丸强化效果监测方法的监测装置，其特征在于，包括第一计算机有限元仿真系统、第二计算机有限元仿真系统、计算机控制及专家系统、激光喷丸设备、固有频率确定测量设备；

所述第一计算机有限元仿真系统用于根据待处理的零件及其工作条件进行有限元软件仿真，以建立所述待处理的零件的动力学模型，还用于对所述动力学模型进行振动模态分析，从而通过仿真计算得到所述待处理的零件的振动模态特性；

所述第二计算机有限元仿真系统用于根据所述待处理的零件的材料特性和几何特性利用有限元软件建立所述待处理的零件的有限元几何模型，还用于根据所述待处理的零件的工作载荷条件，获得所述待处理的零件的危险工作区域和初始共振条件，所述初始共振条件包括共振固有频率和共振节点线；还用于对所述有限元几何模型进行激光喷丸的物理过程及动力学仿真，从而获得所述激光喷丸的仿真加工参数和输出参量；还用于通过对所述仿真加工参数和所述输出参量迭代计算，拟合得到仿真加工参数和所述输出参量的函数关系；

所述计算机控制及专家系统用于根据所述危险工作区域和初始共振条件以及基于拟合得到的所述仿真加工参数和所述输出参量的函数关系，确定第一激光喷丸策略，以使得根据所述第一激光喷丸策略在所述危险工作区域施加激光喷丸载荷，从而改变所述危险工作区域的共振条件，以避免所述危险工作区域发生共振引发的失效；所述第一激光喷丸策略包括激光喷丸区域和激光喷丸的加工参数；

所述第二计算机有限元仿真系统还用于对所述第一激光喷丸策略进行仿真计算，从而得到所述危险工作区域的新共振条件；

所述计算机控制及专家系统还用于将所述新共振条件和所述初始共振条件进行差别比较，还用于根据差别比较结果判断所述第一激光喷丸策略是否符合第一预设设计要求，还用于当所述第一激光喷丸策略符合第一预设设计要求，则生成喷丸工作信号，若还用于当所述第一激光喷丸策略不符合第一预设设计要求，则重新确定所述第一激光喷丸策略，以此迭代处理，直至所述第一激光喷丸策略符合所述第一预设设计要求；

所述激光喷丸设备用于对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

所述计算机控制及专家系统还用于根据所述第一激光喷丸策略控制所述激光喷丸设备对所述待处理的零件进行激光喷丸处理；

所述固有频率确定测量设备用于基于振动响应技术对经激光喷丸处理后的所述待处理的零件进行测量，得到相应的真实测量值，所述真实测量值包括固有频率、各阶共振频率以及所述危险工作区域的共振节点线变化量；

所述计算机控制及专家系统还用于将所述真实测量值与所述振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得第二激光喷丸策略；还用于根据所述第二激光喷丸策略对所述待处理的零件进行激光喷丸处理，从而通过所述固有频率确定测量设备得到相应的真实测量值，还用于将所述真实测量值与所述初始共振条件进行差别比较，根据差别比较结果判断所述第二激光喷丸策略是否符合第二预设设计要求，还用于当所述第二激光喷丸策略符合第二预设设计要求，则输出相应的激光喷丸策略作为最佳激光喷丸策略，还用于当所述第二激光喷丸策略不符合第二预设设计要求，则重新将真实测量值与振动模态特性进行对比分析，根据数据分析结果进行数据插值处理，以获得新的激光喷丸策略。

7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述激光喷丸设备的激光能量为5～40J，激光喷丸光束为平顶光束，光班尺寸为2mm～8mm，激光脉冲宽度为8ns～24ns，脉冲重复率为1HZ～20HZ。

8.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述激光喷丸设备的激光输出光路中设有用于将圆形光斑转换为方形光斑的光斑形状变化装置。

9.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，还包括夹持机器人、夹持控制系统；

所述夹持机器人设有工具夹持末端，所述工具夹持末端用于夹持所述待处理的零件；

所述夹持控制系统的输入端与所述计算机控制及专家系统连接，所述夹持控制系统的输出端与所述夹持机器人连接，用于基于所述计算机控制及专家系统输出的激光喷丸策略编写所述夹持机器人的运动路径程序，还用于通过所述运动路径程序控制所述夹持机器人的所述工具夹持末端运动。

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，还包括涂水机器人和涂水控制系统；

所述涂水机器人设有喷水器，所述喷水器用于对所述待处理的零件进行喷水；

所述涂水控制系统的输入端与所述计算机控制及专家系统连接，所述涂水控制系统的输出端与所述涂水机器人连接，用于根据所述计算机控制及专家系统输出的激光喷丸策略编写所述涂水机器人的涂水轨迹程序，还用于根据涂水轨迹程序控制所述涂水控制系统的所述喷水器进行喷水，以实现所述涂水机器人与所述夹持机器人协同联动。

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