金属板料中空激光冲击成形的成形极限研究

摘要

中空激光冲击成形(HollowLaserShockForming，HLSF)是在实心激光冲击成形技术研究基础上所提出的采用中空激光诱导冲击波对板料进行高应变速率冷塑性成形的新方法。实心激光束所产生的冲击波在板料中心区域的能量最集中，惯性作用使板料中心区域塑性变形较大，变形极不均匀，会出现严重局部减薄现象;同时，作用于板料的应力波在厚度方向传播至自由面（板料背面）会产生反射波，若反射波与入射波相互作用而产生的拉应力超过材料的动态抗拉强度，板料极易产生层裂现象，在以上种种原因的共同作用下，板料在变形中心区域产生破裂失效。破裂失效影响了激光冲击加载下板料成形性能的发挥和提高，它已经成为激光冲击成形技术的进一步发展的瓶颈。基于上述原因本文提出了采用中空激光诱导冲击波对板料进行高应变速率冷塑性成形新方法，采用空心光斑可以改变诱导的冲击波压力分布，改变了冲击中心区域板料的变形速率和惯性，使成形局部减薄现象明显得到改善，显著地提高了板料的成形性能。
　　 本文的主要工作和结果有以下几点:
　　 (1)采用数值模拟方法获得了中空激光冲击变形过程中的瞬态响应，主要包括板料各质点的速度、位移、应力扩展过程、厚度变化过程;采用不同中空激光工艺参数（峰值压力、光斑内外径）和不同板料厚度获得了板料变形的基本规律。
　　 (2)采用高应变速率下成形极限理论判据和激光冲击成形极限图做为基本判据，研究了中空激光主要参数、板料几何因子、凹模孔径对板料成形极限的影响。
　　 (3)分析了不同光斑下的板料的成形性，实心光斑时的变形程度小，成形深度也最小，空心光斑时成形深度增加，成形面的轮廓面积增加，成形极限增大，空心光斑改变了板料的加载区域的成形力，带动未加载的区域变形，加载区域更容易发生均匀的塑性流动，使板料变形均匀，板料的减薄速率要比实心光斑的减薄速率慢很多，板料的成形极限深度增大。
　　 (4)试验研究了不同的中空激光工艺参数对板料成形极限的影响，激光能量越小，冲击次数越多，板料的成形极限深度越大，变形面的轮廓面积越大，变形越均匀。板料厚度越厚，变形越均匀，板料的成形极限深度也越大。同时比较了不同光斑下的板料的成形性，空心光斑比实心光斑冲击下的板料的成形面底部更加平坦，也充分显示了中空激光束在板料成形中的优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击成形技术概述

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．4 激光冲击成形存在的主要问题

1．5 中空激光冲击成形技术

1．5．1 中空激光束的形成与分布

1．5．2 中空激光冲击薄板成形技术

1．6 板料高应变速率下成形极限的研究现状

1．7 本文选题意义及主要研究内容

1．7．1 选题意义

1．7．2 研究内容

第二章 中空激光加载下板料变形机理研究

2．1 引言

2．2 中空激光冲击波的形成

2．3 中空激光冲击波的力学效应

2．3．1 中空激光冲击波压力分析与计算

2．3．2 中空激光冲击波施于板料的冲量

2．4 中空激光冲击板料成形的惯性作用机理

2．4．1 惯性机理作用下板料的微元初速度

2．4．2 金属薄板成形的运动方程

2．5 本章小结

第三章 中空激光冲击变形过程分析

3．1 引言

3．2 金属板料激光冲击成形有限元模拟的理论基础

3．3 中空激光冲击成形模拟过程

3．3．1 有限元分析模型的建立

3．3．2 网格划分与时间步长

3．3．3 材料性能

3．3．4 边界条件

3．3．5 冲击波载荷设置

3．3．6 求解时间的确定

3．4 中空激光冲击成形过程分析

3．4．1 瞬态速度场和位移场分布

3．4．2 板料应力扩展过程

3．4．3 板料截面厚度变化过程

3．5 中空激光工艺参数对板料变形的影响分析

3．5．1 峰值压力对板料变形的影响

3．5．2 光斑内外径对板料变形的影响

3．5．3 板料厚度对板料变形的影响

3．6 本章小结

第四章 中空激光冲击成形极限研究

4．1 引言

4．2 中空激光冲击波高应变速率成形极限理论判据

4．2．1 层裂准则

4．2．2 厚度减薄率准则

4．3 激光冲击波高应变速率成形极限图研究

4．4 中空激光工艺参数对成形极限的影响分析

4．4．1 冲击次数对板料成形极限的影晌

4．4．2 脉冲宽度对板料成形极限的影响

4．4．3 光斑内径对板料成形极限的影响

4．4．4 光斑外径对板料成形极限的影响

4．4．5 薄板厚度对板料成形极限的影响

4．4．6 凹模孔径对板料成形极限的影响

4．5 本章小结

第五章 中空激光冲击成形试验研究

5．1 引言

5．2 试验设备及试样制备

5．2．1 中空激光的产生装置

5．2．2 激光冲击系统

5．2．3 试验模具及试样制备

5．3 中空激光冲击板料成形试验

5．3．1 能量对板料成形极限的影响

5．3．2 不同光斑内外径对板料成形极限的影响

5．3．3 板料厚度对板料成形极限的影响

5．4 空心光斑与实心光斑成形性对比分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间取得的科研成果及参加项目