中空激光冲击成形中应力波的传播特性及其对板料失效的影响

摘要

激光冲击成形是利用激光诱导的冲击波使金属板料产生变形的一种无模成形新方法，在众多领域有着广泛的应用前景。自从提出这一理论以来，人们就在为将该技术应用到实际生产加工中去而努力，但激光冲击成形技术在快速发展的过程中出现了许多亟待解决的问题，如冲击成形过程中板料中心易破裂的问题，该问题也成为制约这一技术发展的一道障碍。由于激光诱导冲击波的传播与板料的层裂和减薄等破裂失效问题有着密切的联系，为此，提出采用中空激光冲击成形并从应力波传播的角度来分析和解决这一问题。本文采用理论、有限元仿真及实际试验相结合的方法，对3003H16铝合金薄板在中空激光冲击成形过程中应力波的传播特性，及其对板料失效的影响进行研究和探索。
　　 本文的主要工作和结论有以下几点:
　　 (1)以应力波的传播理论为基础，对3003H16铝合金薄板中应力波传播的基本过程进行了分析。采用特征线法对中空激光单次冲击时铝合金薄板中应力波的传播，弹塑性波相互作用效果进行研究。
　　 (2)运用大型有限元软件ABAQUS对中空激光冲击铝合金薄板中应力波的传播过程进行模拟仿真，研究模型的建立、本构参数的选择及有限元网格的划分，分别对铝合金薄板中厚度方向及表面方向应力波的传播过程进行分析。结果表明:在中空激光冲击区域的厚度方向应力波传播规律明显，并可以推算出最大拉应力出现时刻和位置，而表面方向传播的应力波对环内区域的作用效果较明显。
　　 (3)通过有限元仿真及实际试验对中空激光冲击成形时3003H16铝合金薄板在不同中空激光工艺参数、不同铝合金薄板厚度及不同凹模孔径下的失效（层裂和减薄）情况进行了研究，得出:当采用中空激光冲击成形时，板料发生层裂的危险位置在激光冲击区域内即中空区域内，减薄的危险位置在板料中心或激光冲击区域内。对铝合金薄板试样冲击后裂纹的微观形貌进行光学和电子显微镜观察，从应力波的角度对铝合金薄板在中空激光冲击作用下的层裂和减薄失效问题进行了分析，并建立中空激光冲击成形初步准则。
　　 (4)对中空激光冲击成形过程中铝合金薄板的失效与实心激光下的情况进行了分析比较，发现采用中空激光冲击成形时，板料具有更深的成形极限，成形性能得到提升。
　　 本文主要研究了中空激光冲击成形过程中应力波的传播特性及其对板料层裂和减薄失效的影响，丰富了激光应力波的理论，为提高板料的激光冲击成形性能提供了一定的依据，促进了激光冲击成形技术的进一步发展。

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 激光冲击成形技术

1．2．2 激光冲击成形技术研究现状

1．2．3 目前研究存在的主要问题

1．3 中空激光研究现状

1．4 应力波传播特性及其对板料失效影响的研究现状

1．5 本文选题意义及主要研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第二章 铝合金薄板中空激光冲击成形中应力波传播规律探究

2．1 引言

2．2 加载模型的建立

2．3 激光诱导应力波的产生和传播过程的特征线分析

2．3．1 激光诱导应力波的产生

2．3．2 激光诱导应力波传播过程的特征线分析

2．3．3 中空激光应力波的传播特征

2．4 中空激光诱导应力波传播规律探究

2．4．1 中空激光诱导应力波板料厚度方向传播规律探究

2．4．2 中空激光诱导应力波板料表面方向传播规律探究

2．5 本章小结

第三章 不同参数下应力波对薄板失效的影响

3．1 引言

3．2 不同参数下应力波对薄板层裂的影响

3．2．1 层裂机制

3．2．2 层裂时间和位置研究

3．2．3 激光工艺参数对层裂的影响

3．2．4 板料厚度对层裂的影响

3．2．5 凹模孔径对层裂的影响

3．2．6 冲击次数对层裂的影响

3．3 不同参数下应力波对薄板减薄的影响

3．3．1 减薄机制

3．3．2 减薄研究条件说明

3．3．3 冲击次数对减薄的影响

3．3．4 激光工艺参数对减薄的影响

3．3．5 板料厚度对减薄的影响

3．3．6 凹模孔径对减薄的影响

3．4 本章小结

第四章 中空激光冲击铝合金薄板成形试验研究

4．1 引言

4．2 试验设备和条件

4．2．1 中空激光产生系统

4．2．2 激光冲击系统

4．2．3 试验模具与试样的制备

4．3 不同参数对铝合金薄板失效的影响试验

4．3．1 激光能量的影响

4．3．2 中空激光内外径的影响

4．3．3 与实心激光的比较

4．4 铝合金薄板中空激光冲击成形后微观形貌分析

4．5 铝合金薄板中空激光冲击成形准则研究初步

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果