搭接率对激光冲击LY2铝合金强化效果的影响

摘要

航空铝合金(LY2)由于轻质、高强度、良好的抗腐蚀性等特性而成为目前主要的飞机结构材料，飞机对安全以及稳定的高要求决定了LY2零部件生产加工后要达到很高的硬度、表面粗糙度以及抗疲劳强度。激光冲击强化（又被称为激光喷丸）技术由于具有高压(GPa～TPa)、超快（几十纳秒）、超高应变率(107～108S-1，比爆炸成形高出100倍)的显著特点，广泛应用在金属构件的表面改性上。本文以LY2铝合金为研究对象，用实验方法和有限元分析方法分别用不同搭接率的激光冲击强化LY2铝合金板材，分析了不同搭接率对强化效果造成的影响规律，获得了以下主要结论和创新性成果:
　　(1)利用ABAQUS软件在同一LY2铝合金模型上进行不同搭接率激光冲击有限元模拟，研究搭接率对激光冲击残余应力及表面轮廓的影响。激光冲击产生更大的残余压应力场。相比30％搭接率的激光冲击，当搭接率大于50％时，一致性得到显著提高，残余应力影响深度也越大。另外，残余压应力场的一致性随着搭接率的提高而提高。塑性变形深度随着搭接率的增加而增加，但塑性变形的波动值随着搭接率的增加而逐渐减小。从激光冲击搭接率对表面轮廓影响以及激光冲击效率两方面综合考虑的话，50％～70％搭接率是一个比较合适的搭接率选择范围。
　　(2)以数值模拟中考察的若干搭接率作为激光冲击实验搭接率对LY2板料进行激光冲击，通过光学显微镜测量表面轮廓。研究表明:实验结果与模拟结果有着很高的吻合度，不同搭接率激光冲击产生表面轮廓差异主要来自光斑内每个位置受到冲击次数不同。搭接率为30％时的激光光斑内每个只受到一次激光冲击的位置，在50％与70％搭接率中都受到至少2次激光冲击。搭接率为90％的表面轮廓高度与50％搭接率轮廓高度差异很小，由于90％搭接率激光冲击受冲击次数太多达到饱和值。
　　(3)利用ABAQUS软件对不同搭接率激光冲击LY2铝合金板料残余应力进行模拟，并对结果再施加一次对称循环载荷，研究循环载荷后模型的残余应力分布状态和应力松弛情况。其中当搭接率大于50％时，靶材表面残余应力的一致性都得到了提高，且搭接率越大，经过交变载荷后，波动率减小得越多;搭接率相同时，交变载荷的应力幅越大，波动率减小得也越多;深度方向上，松弛最严重的地方发生在深度方向残余应力最大处。对于搭接率大于50％的情况，交变载荷对深度方向最大残余应力松弛存在一个最小值，即无论初始残余应力多少，经过交变载荷后，都会降低到最小值。从激光冲击搭接率对松弛效果以及激光冲击效率两方面综合考虑的话，50％～70％搭接率是一个比较合适的搭接率选择范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外激光冲击强化的研究及应用概况

1．2．1 国外研究及应用概况

1．2．2 国内研究及应用概况

1．3 数值模拟在激光冲击强化中的应用

1．4 搭接率在大面积激光冲击强化中的研究现状

1．5 本课题主要内容和研究意义

第二章 激光冲击强化的相关理论研究

2．1 激光冲击强化原理

2．2 激光冲击波形成与表面改性机理

2．2．1 激光冲击波物理模型

2．2．2 激光冲击强化力学模型

2．3 光学显微镜测量表面轮廓原理及步骤

2．4 有限元法概述

2．5 激光冲击强化有限元理论基础

2．5．1 显式有限元方程求解算法

2．5．2 隐式有限元方程求解算法

2．5．3 有限元方程

2．6 本章小结

第三章 不同搭接率激光冲击LY2表面残余应力及表面轮廓对比

3．1 激光冲击LY2铝合金模拟分析

3．1．1 ABAQUS有限元仿真概述

3．1．2 LY2铝合金材料属性设置

3．1．3 模型几何尺寸与网格划分

3．1．4 显式动态求解分析步长及增量

3．1．5 激光冲击模拟结果分析

3．2 激光冲击LY2铝合金实验分析

3．2．1 试样选取

3．2．2 实验装置与方案

3．2．3 激光冲击后表面轮廓的测量与分析讨论

3．3 搭接率对表面轮廓的影响机理

3．4 本章小结

第四章 不同搭接率冲击结果应力松弛研究

4．1 ABAQUS准静态方法概述

4．2 应力松弛及其机理研究现状

4．3 激光冲击应力松弛仿真

4．3．1 激光冲击过程模拟及分析

4．3．2 交变载荷的选取

4．3．3 交变载荷下的应力松弛模拟

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果