中空激光能量分布对冲击成形性能及失效的影响研究

摘要

激光冲击成形(Laser Shock Forming，LSF)是作为一种新型无模成形技术在众多领域内有着广泛的应用前景。然而研究中发现，实心激光冲击下光斑中心部位板料容易破裂，限制了其成形性能。通过采用中空激光进行冲击成形，这样金属板料中心易破裂问题得到解决的同时，提高了板料的成形性能。本文通过正、负轴锥镜组合得到了中空激光束，不同能量分布的中空激光束对金属板料的成形性能的影响不同。基于此，本文通过模拟和试验方法对圆整中空激光下能量分布对板料冲击成形性能及失效的影响进行了研究和分析。主要工作内容及结果如下:
　　(1)阐述了实心高斯、平顶激光束理论其诱导产生的冲击压力空间分布;介绍了中空激光束的概念，并分析了中空激光束的形成原理及其诱导产生的冲击压力空间分布;分析了影响中空激光能量分布的因素，提出了圆整中空激光束的调节方法。
　　(2)通过ABAQUS软件分析了以单次冲击下实心高斯、实心平顶激光和能量向内径、向外径聚集中空激光四种能量分布的激光对板料成形的影响。然后分析了多次冲击下四种能量分布的激光对板料成形极限的影响，结果表明:①当板料达到极限状态时，实心高斯激光冲击下板料的成形极限深度最小，其它三种能量分布激光下板料的成形极限深度基本相同，且两种中空激光下板料的成形底部较为平坦;②相比两种实心激光下板料中心厚度变化和等效应变最大，两种中空激光下板料的厚度和等效应变分布较为均匀。
　　(3)通过试验分析了能量向内径聚集、能量向外径聚集的圆整中空激光下板料的成形性能，并与相应的实心激光进行对比，结果表明:①功率密度相同时，能量向内径聚集中空激光冲击成形后板料的成形极限深度比实心高斯激光时要大，且成形底部较平整，成形广度较大;②功率密度相同时，能量向外径聚集中空激光冲击成形后板料的成形极限深度与实心平顶激光的基本相同，且成形底部较平整，成形广度较大。
　　(4)通过试验分析了两种能量分布的圆整中空激光下板料的破裂位置和裂纹形态，并与实心激光下的进行对比，结果表明:①当中空光斑较小时，两种中空激光下板料的破裂位置位于板料中心，随着中空光斑的增大，两种中空激光下板料的破裂位置由板料中心向中空激光作用区域转移;而实心激光下板料破裂位置均在板料中心。②当中空光斑较小时，两种中空激光下板料的裂纹为直线状裂纹，当中空光斑变大时，能量向内径聚集的中空激光下的裂纹主要为直线状裂纹，而能量向外径聚集的中空激光下的裂纹主要为微弧状裂纹;两种中空激光下板料的大部分裂纹方向均与轧制方向基本成45°角。
　　(5)研究了中空激光冲击下3003H16铝合金板料的失效机制，结果表明:中空激光冲击下板料的非断裂失效包括减薄和层裂失效，且均位于中空激光冲击区域内。断裂失效具有明显的韧性断裂特征，破裂形成大小不同且不规则的抛物线状撕裂韧窝;裂纹伴随多个小裂纹进行扩展，其扩展速率取决于激光光斑和能量的大小。
　　本文研究了中空激光能量分布对冲击成形性能的影响，采用中空激光进行冲击成形，金属板料的成形性能得到了一定的提升，为将来金属板料中空激光冲击成形试验做进一步研究提供了参考;并分析了中空激光冲击下铝合金板料的破裂位置、裂纹形态和失效机制，丰富了高应变率下金属板料的失效理论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击成形技术

1．2．1 激光冲击成形的基本原理和特点

1．2．2 激光冲击成形技术的发展及应用

1．2．3 中空激光冲击成形技术

1．3 高应变率下板料成形性能及失效研究现状

1．4 本课题的研究意义和内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 激光束理论与中空激光能量分布因素分析

2．1 引言

2．2 实心激光束

2．2．1 实心高斯激光束

2．2．2 实心平顶激光束

2．3 中空激光束

2．3．1 中空激光束概念

2．3．2 中空激光束的实现

2．3．3 中空激光束理论模型与诱导冲击压力分布

2．4 中空激光能量分布的影响因素分析与调节

2．4．1 中空激光能量分布的影响因素分析

2．4．2 中空激光束调节方法

2．5 本章小结

第三章 能量分布对板料中空激光冲击成形性能的影响

3．1 引言

3．2 板料激光冲击成形有限元建模

3．2．1 模型及边界条件的建立

3．2．2 材料本构模型的选择

3．2．3 载荷加载方式

3．2．4 求解时间分析

3．3 板料激光冲击成形破裂判据

3．4 单次冲击下激光能量分布对板料成形的影响

3．4．1 能量分布对成形深度的影响

3．4．2 能量分布对板料厚度的影响

3．4．3 能量分布对等效应变的影响

3．5 多次冲击下激光能量分布对板科成形极限的影响

3．5．1 能量分布对极限成形深度曲影响

3．5．2 能量分布对板料厚度的影响

3．5．3 能量分布对等效应变的影响

3．6 本章小结

第四章 不同能量分布下中空激光冲击成形试验与失效研究

4．1 引言

4．2 试验设备条件

4．2．1 试验材料制备

4．2．2 中空激光冲击成形试验设备

4．3 中空激光冲击成形性能试验研究

4．3．1 能量向内径聚集中空激光对板料成形性能的影响

4．3．2 能量向外径聚集中空激光对板料成形性能的影响

4．4 中空激光冲击成形破裂失效位置与裂纹形态分析

4．4．1 中空激光冲击成形破裂失效位置分析

4．4．2 中空激光冲击成形裂纹形态分析

4．5 中空激光冲击成形失效机制分析

4．5．1 减薄失效和层裂失效

4．5．2 裂纹微观形貌分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果