CN115204018A - 一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法 - Google Patents

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刘永恒
陈如香
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曾龙
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Abstract

本发明公开了一种激光喷丸成形形状‑残余应力协同调控方法，包括如下步骤：1)获取激光能随时间和空间分布的数据库；2)确定成形区域所需固有矩、残余应力指标，以及变形后的几何形状；3)建立等厚度平板激光喷丸的动态显式分析有限元模型；将4)将工艺参数对应的载荷施加至所述有限元模型并求解；5)提取特征区域固有应变分布，计算残余应力和固有矩的数值；6)判断固有矩和残余应力是否满足要求，根据情况采用优化算法确定新的工艺参数；7)采用优化所得工艺参数进行激光喷丸成形。本发明通过优化工艺参数调控固有应变，进而建立激光喷丸成形件形状和残余应力的联系、实现形性协同调控，具有成本低、效率高、适用性强、准确度高等优点。

Description

一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法
技术领域
本发明涉及激光喷丸成形技术，尤其是一种基于实验数据计算固有应变的激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法。
背景技术
激光喷丸成形属于一种新型的激光应用领域，是一种兼具应变率高、可控性强、精确可控的柔性无模成形技术，在获取所需要的零件形状的同时引入高幅值残余压应力、细化晶粒，提高成形件的抗疲劳性能，在机翼蒙皮、高铁导流罩、火箭燃料箱等小曲率板件的抗疲劳制造领域有着广阔的应用前景。由于没有模具的强制性约束，为成形工艺的参数选择带来极大困难，此外，成形为目标形状过后，通过破坏性实验测定材料内部残余应力会导致零件报废，采用无伤检测残余应力则会耗费极大的成本，难以判断现有残余应力场对抗疲劳性能的增益是否满足需求。
而激光冲击后在靶材深度方向植入的梯度固有应变是驱动靶材变形、诱导靶材残余应力的本质原因，固有应变是联系成形件形状和残余应力场的纽带。通常来说，固有应变与成形件形状是多对一的映射关系，而固有应变与残余应力却有确定的一对一映射关系，因而可以在众多组能够成形出目标形状的固有应变中，选择对应残余应力场最优的一组用于成形，达到形状-残余应力协同调控的目的。
现有方法将固有应变在深度方向上的积分定义为固有矩，将固有应变与变形的多对一关系转化为固有矩与变形的一对一关系，通过一次积分计算可以判断固有应变是否满足成形需求。但需进行多次冲击成形实验、建立工艺参数与固有矩对应的工艺数据库，而不同材料、不同激光器对应的数据库往往不具有通用性，且实验成本过高，导致建立通用的数据库成本高昂，限制了其在激光喷丸成形调控中的应用。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术问题，提出一种基于实验数据计算固有应变的激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，基于激光能量分布的实验数据和给定工艺参数，结合有限元软件计算固有应变，通过优化工艺参数获取满足成形件形状精度和残余应力场需求的固有形变，最终达到控形控性的目的。
本发明涉及一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，包括如下步骤：
步骤一、通过控制激光器发射脉冲激光，获取不同激光参数下，激光能随时间和空间分布的数据库；
步骤二、确定成形区域所需的固有矩、残余应力指标，以及变形后的几何形状；
步骤三、建立等厚度平板激光喷丸的动态显式分析有限元模型；
步骤四、将激光参数、冲击次数、扫描路径对应的载荷施加至所述有限元模型并求解；
步骤五、提取特征区域固有应变分布，计算残余应力和固有矩的数值；
步骤六、判断固有矩和残余应力是否满足要求，若不满足要求，则采用优化算法确定新的扫描路径或激光参数、冲击次数，并返回执行步骤三；若满足要求，则输出工艺参数；
步骤七、采用优化所得工艺参数进行激光喷丸成形。
优选地，步骤三中，所述所述有限元模型中，材料设置为Johnson-Cook本构模型。
优选地，步骤四中，所述工艺参数为激光参数、冲击次数、扫描路径，对应的载荷为压力。
优选地，步骤四中，对任意激光光斑，以光斑所在平面为XY平面，以光斑中心为圆心，压力关于工艺参数的表达式为：
Figure BDA0003774256790000021
其中，α为激光内能转化为热能的比例系数，Zt为靶材的声阻抗，Ze为约束层的声阻抗，E(x,y,t)为激光束的能量-时间-空间分布函数，τ为激光的脉冲宽度，上述参数均通过实验确定，D为光斑直径。
优选地，步骤四中，所述载荷作用区域为光斑阵列所覆盖的区域。
优选地，步骤五中，所述特征区域为所述载荷作用区域内由中间光斑圆心围成的矩形区域。
优选地，步骤五中，固有矩的计算公式为:
Figure BDA0003774256790000022
Figure BDA0003774256790000023
残余应力计算公式为：
Figure BDA0003774256790000031
Figure BDA0003774256790000032
其中，公式(1)为y方向固有矩
Figure BDA0003774256790000033
计算公式；公式(2)为x方向固有矩
Figure BDA0003774256790000034
计算公式；公式(3)为x方向残余应力计算公式；公式(4)为y方向残余应力计算公式，z为深度方向的坐标，板料厚度的中心为z坐标原点，μ为泊松比，E为弹性模量，h为厚度，
Figure BDA0003774256790000035
Figure BDA0003774256790000036
分别为固有应变的x方向和y方向分量；κx、κy为x方向和y方向中性面曲率。
优选地，步骤六中，所述固有矩和残余应力需满足的要求为：固有矩数值在允许的误差范围，残余压应力数值的绝对值取最大值，残余拉应力取最小值。
优选地，步骤六中，所述优化算法为响应面优化方法。
有益效果
1)本发明采用固有应变作为中间变量，通过固有应变架构起工艺参数与形状-残余应力场之间的联系，利用固有应变与变形的多对一映射关系、固有应变与残余应力场的一对一映射关系，在满足众多组成形要求的固有应变中，选择残余应力场最有利的一组，并输出该组对应的工艺参数，通过控制工艺参数实现激光喷丸成形形状-残余应力场的协同调控。
2)本发明通过发射单脉冲光束获取激光能量参数，建立起激光器自身的参数库，并将实验测得激光参数作为有限元仿真的输入载荷，求解固有应变数值并指导工艺规划，有效控制仿真结果与实验结果误差。
3)若通过成形实验建立工艺数据库，不同厚度、不同材料的数据库往往不具备通用性，且实验成本过高。本发明根据实验差异性的源头——激光参数和材料的本构模型，仅需建立激光参数数据库，极大降低了实验成本；在已知本构模型的前提下，可以计算不同材料的固有应变，具有通用性。
4)本发明通过优化算法进行工艺优化，降低了通过枚举实验寻优的成本，缩短了实验周期，具有较高的效率。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明中目标曲面形状示意图；
图3是本发明固有矩分布示意图；
图4是本发明基于数值计算的形状-残余应力调控效果(a)成形精度(b)应力分布图；
具体实施方式
以下结合图1至4对本实施方式进行具体说明。
本发明涉及一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，包括如下步骤：
步骤一、通过控制激光器发射脉冲激光，获取不同激光参数下，激光能随时间和空间分布的数据库；
步骤二、确定成形区域所需的固有矩、残余应力指标，以及变形后的几何形状；
步骤三、建立等厚度平板激光喷丸的动态显式分析有限元模型；所述有限元模型中，材料设置为Johnson-Cook本构模型。
步骤四、将激光参数、冲击次数、扫描路径对应的载荷施加至所述有限元模型并求解；工艺参数对应的载荷为压力；对任意光斑，以光斑所在平面为XY平面，以光斑中心为圆心，压力关于工艺参数的表达式为：
Figure BDA0003774256790000041
其中，α为激光内能转化为热能的比例系数，Zt为靶材的声阻抗，Ze为约束层的声阻抗，E(x,y,t)为激光束的能量-时间-空间分布函数，τ为激光的脉冲宽度，上述参数均通过实验确定，D为光斑直径。载荷作用区域为光斑阵列所覆盖的区域。
步骤五、提取特征区域固有应变分布，计算残余应力和固有矩的数值；特征区域为所述冲击区域内由中间光斑圆心围成的矩形区域。
固有矩的计算公式为:
Figure BDA0003774256790000042
Figure BDA0003774256790000043
残余应力计算公式为：
Figure BDA0003774256790000044
Figure BDA0003774256790000051
其中，公式(1)为y方向固有矩
Figure BDA0003774256790000052
计算公式；公式(2)为x方向固有矩
Figure BDA0003774256790000053
计算公式；公式(3)为x方向残余应力计算公式；公式(4)为y方向残余应力计算公式，μ为泊松比，E为弹性模量，h为厚度，
Figure BDA0003774256790000054
分别为固有应变的x方向和y方向分量；κx、κy为x方向和y方向中性面曲率。
步骤六、判断固有矩和残余应力是否满足要求，若不满足要求，则采用优化算法确定新的扫描路径或激光参数、冲击次数，并返回执行步骤三；若满足要求，则输出工艺参数；固有矩和残余应力需满足的要求为：固有矩数值在允许的误差范围，残余压应力数值的绝对值取最大值，残余拉应力取最小值。优化算法为响应面优化方。
步骤七、采用优化所得工艺参数进行激光喷丸成形。
实施例
本实例中，将对标准马鞍面进行激光喷丸成形形状-残余应力场协同调控，成形材料为2024-T35铝合金，弹性模量为72GPa，泊松比为0.33，尺寸为272mm×272mm×4mm，以板料中心为原点的目标曲面方程为
Figure BDA0003774256790000055
形状如图2所示，其对应的固有矩分布如图3，具体操作步骤如下：
步骤1、控制激光器发射脉冲激光，获取不同激光参数下激光能随时间和空间分布的数据库，确定多组激光能量分布函数E(x,y,t,D,e,τ),其中，D为光斑直径＝{2，3，4}，e为单脉冲能量，τ为脉宽
步骤2、确定目标曲面曲率、成形区域所需的固有矩、残余应力指标；
步骤3、建立16mm×16mm×4mm平板激光喷丸的动态显式分析有限元模型；
步骤4、将激光参数、冲击次数、扫描路径等工艺参数对应的载荷施加至有限元模型并求解，载荷为压力载荷，以光斑所在平面为XY平面，以光斑中心为圆心，压力关于工艺参数的表达式为
Figure BDA0003774256790000056
其中，α为激光内能转化为热能的比例系数，Zt为靶材的声阻抗，Ze为约束层的声阻抗，E(x,y,t)为激光束的能量-时间-空间分布函数，τ为激光的脉冲宽度，上述参数均通过实验确定,D为光斑直径；
步骤5、提取特征区域固有应变分布，计算残余应力和固有矩的数值
固有矩的计算公式为:
Figure BDA0003774256790000061
Figure BDA0003774256790000062
残余应力计算公式为：
Figure BDA0003774256790000063
Figure BDA0003774256790000064
其中(1)为y方向固有矩
Figure BDA0003774256790000065
计算公式；(2)为x方向固有矩
Figure BDA0003774256790000066
计算公式；(3)为x方向残余应力计算公式；(4)为y方向残余应力计算公式，μ为泊松比，E为弹性模量，h为厚度，
Figure BDA0003774256790000067
分别为固有应变的x方向和y方向分量；κx、κy为x方向和y方向中性面曲率.；
步骤6、判断所述固有应变是否满足要求，若不满足要求，则采用响应面优化方法对工艺参数进行优化，并返回执行步骤4，直至获取目标固有应变并输出工艺参数，优化函数如下：
Figure BDA0003774256790000068
Figure BDA0003774256790000069
with：D＝{2，3，4}，τ＝{10,12,14,16,18,20}，Lap1＝Lap2＝{0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3}，n＝{1,2,3}
其中，min为最小值函数，abs为绝对值函数，max为最大值函数,E(x,y,t,D,e,τ)为实测激光能量分布函数，
Figure BDA00037742567900000610
为X方向固有矩误差权值、
Figure BDA00037742567900000611
为Y方向固有矩误差权值，
Figure BDA00037742567900000612
为压应力权值，
Figure BDA00037742567900000613
为拉应力权值，
Figure BDA00037742567900000614
为计算固有矩，
Figure BDA00037742567900000615
为目标固有矩，Lap1、Lap2分别为X方向搭接率和Y方向搭接率，n为冲击次数；
采用优化所得工艺参数进行激光喷丸成形，基于数值计算获取最终成形精度和残余应力场如图4所示。
上述内容仅为本发明较好的实施案例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，如室内标准试件的数量、施工现场取芯的数量，可根据精度要求进行增减，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过控制激光器发射脉冲激光，获取不同激光参数下，激光能随时间和空间分布的数据库；
步骤二、确定成形区域所需的固有矩、残余应力指标，以及变形后的几何形状；
步骤三、建立等厚度平板激光喷丸的动态显式分析有限元模型；
步骤四、将工艺参数对应的载荷施加至所述有限元模型并求解；
步骤五、提取特征区域固有应变分布，计算残余应力和固有矩的数值；
步骤六、判断固有矩和残余应力是否满足要求，若不满足要求，则采用优化算法确定新的扫描路径或激光参数、冲击次数，并返回执行步骤三；若满足要求，则输出工艺参数；
步骤七、采用优化所得工艺参数进行激光喷丸成形。
2.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤三中，所述有限元模型中，材料设置为Johnson-Cook本构模型。
3.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤四中，所述工艺参数为激光参数、冲击次数、扫描路径，对应的载荷为压力。
4.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤四中，对任意激光光斑，以光斑所在平面为XY平面，以光斑中心为圆心，压力关于工艺参数的表达式为：
Figure FDA0003774256780000011
其中，α为激光内能转化为热能的比例系数，Zt为靶材的声阻抗，Ze为约束层的声阻抗，E(x,y,t)为激光束的能量-时间-空间分布函数，τ为激光的脉冲宽度，参数均通过实验确定，D为光斑直径。
5.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤四中，所述载荷作用区域为光斑阵列所覆盖的区域。
6.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤五中，所述特征区域为所述载荷作用区域内由中间光斑圆心围成的矩形区域。
7.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤五中，固有矩的计算公式为:
Figure FDA0003774256780000021
Figure FDA0003774256780000022
残余应力计算公式为：
Figure FDA0003774256780000023
Figure FDA0003774256780000024
其中，公式(1)为y方向固有矩
Figure FDA0003774256780000025
计算公式；公式(2)为x方向固有矩
Figure FDA0003774256780000026
计算公式；公式(3)为x方向残余应力计算公式；公式(4)为y方向残余应力计算公式，z为深度方向的坐标，板料厚度的中心为z坐标原点，μ为泊松比，E为弹性模量，h为厚度，
Figure FDA0003774256780000027
Figure FDA0003774256780000028
分别为固有应变的x方向和y方向分量；κx、κy为x方向和y方向中性面曲率。
8.根据权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤六中，所述固有矩和残余应力需满足的要求为：固有矩数值在允许的误差范围，残余压应力数值的绝对值取最大值，残余拉应力取最小值。
9.如权利要求1所述的一种激光喷丸成形形状-残余应力协同调控方法，其特征在于，步骤六中，所述优化算法为响应面优化方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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