中空激光冲击成形性能及其在波纹膜片成形中的应用研究

摘要

作为特殊的薄板塑性加工技术，中空激光冲击成形涉及激光光学、机械制造学、冲击动力学等众多领域。除具有实心激光冲击成形的效率高、质量好、柔性大等优势外，中空激光冲击成形可以有效避免板料冲击中心发生破裂失效。此前中空激光的应用范围主要集中在光学领域，将其用于薄板冲击成形颇具创造性。
　　本文主要通过实验手段研究了薄板在中空激光加载下的冲击成形性能，在此基础上通过实验和有限元相结合的方法研究了中空激光冲击成形应用，即将中空激光应用于波纹膜片冲击成形，主要工作及结果如下:
　　(1)阐述中空激光形成原理，对中空激光转换进行理论推导。简单介绍了中空激光转换装置，对中空激光转换后激光能量在中空光斑上的分布进行了分析说明。在此基础上推导了中空激光诱导冲击波压力空间分布公式，为数值模拟中冲击载荷施加做准备。
　　(2)提出一种简单有效地测量冲击成形后薄板成形轮廓的方法。进行中空激光冲击成形实验，研究各种工艺参数对薄板冲击成形性能的影响规律。结果表明:a）中空激光单次冲击下，薄板的成形深度随中空激光光斑内外径的增大呈现出先增大后减小的规律;随中空激光能量或者凹模口径的增大均呈现出增大的规律;随薄板厚度的增大呈现出减小规律;随成形温度的上升呈现出先增大后基本保持不变的规律。b）中空激光多次冲击下，薄板的成形极限深度随中空激光光斑内外径或者中空激光能量的增大均呈现出先增大后减小的规律;随薄板厚度或者凹模口径的增大均呈现出增大规律。c）中空激光能量在环形光斑上的分布情况对薄板的冲击成形性能有着重要的影响。
　　(3)对波纹膜片及其相关的成形方法进行了简单的介绍。基于薄板在中空激光加载下的冲击成形性能进行波纹膜片中空激光冲击成形实验，通过改变中空激光内外径以及中空激光能量的方法研究中空激光加载下波纹膜片成形性能，探索波纹膜片中空激光冲击成形工艺。结果表明:在环形光斑w10n2(内径2mm，外径10mm)、能量4J的中空激光加载下波纹膜片的冲击成形性能较好，与半模轮廓的贴合度较高。
　　(4)在ABAQUS中建立中空激光加载下波纹膜片的冲击成形模型。通过激光冲击成形极限图(LSFLD)预测波纹膜片中空激光冲击成形中的破裂失效，采用膜片横截面厚度减薄预测破裂失效以期验证LSFLD预测结果的正确性。结果表明:临界破裂失效主要发生在波纹膜片第一波峰附近，与波纹膜片冲击成形实验结果一致;通过厚度减薄预测膜片破裂失效的结果与LSFLD预测结果一致。
　　研究薄板在中空激光加载下的冲击成形性能，为中空激光冲击成形的实际应用奠定了工艺基础。将中空激光用于波纹膜片冲击成形是一次大胆的尝试，是对中空激光应用范围的有益拓展。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击成形概述

1．2．1 激光冲击成形原理、特点及应用

1．2．2 激光冲击成形研究现状

1．3 中空激光研究现状

1．3．1 中空激光的产生方法

1．3．2 中空激光的实际应用

1．4 中空激光冲击成形的提出及研究进展

1．5 选题意义与研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第2章 中空激光的形成与中空激光转换结果

2．1 引言

2．2 中空激光的成形

2．2．1 中空激光形成原理

2．2．2 中空激光转换分析

2．3 中空激光转换结果

2．3．1 中空激光转换装置

2．3．2 中空激光能量分布

2．4 中空激光诱导冲击波压力空间分布

2．5 本章小结

第3章 薄板中空激光冲击成形性能实验研究

3．1 引言

3．2 实验器材

3．2．1 主要实验设备

3．2．2 实验模具与试样制备

3．3 成形轮廓测量方法

3．4 工艺参数对中空激光冲击成形性能的影响

3．4．1 中空激光内外径的影响

3．4．2 中空激光能量的影响

3．4．3 中空激光能量分布的影响

3．4．4 板料厚度的影响

3．4．5 凹模口径的影响

3．4．6 成形温度的影响

3．5 本章小结

第4章 波纹膜片中空激光冲击成形实验研究

4．1 引言

4．2 波纹膜片简介

4．3 实验器材

4．3．1 实验模具

4．3．2 试样制备

4．4 波纹膜片中空激光冲击成形实验

4．4．1 中空激光内外径对波纹膜片冲击成形的影响

4．4．2 中空激光能量对波纹膜片冲击成形的影响

4．5 本章小结

第5章 波纹膜片中空激光冲击成形数值模拟研究

5．1 引言

5．2 ABAQUS软件简介

5．3 波纹膜片中空激光冲击成形有限元模型

5．3．1 本构方程

5．3．2 几何模型

5．3．3 网格划分

5．3．4 边界条件

5．3．5 载荷分布

5．3．6 求解时间

5．4 数值模拟中预测波纹膜片失效的判据

5．4．1 失效判据

5．4．2 激光冲击成形极限图

5．5 波纹膜片中空激光冲击成形失效预测

5．5．1 采用成形极限图预测

5．5．2 采用厚度减薄预测

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要科研成果