钛合金叶片激光冲击强化过程建模与残余应力仿真研究

摘要

作为航空发动机的关键部件，叶片在能量转换中起着十分重要的作用，现代航空发动机推重比的迅速增大使得疲劳失效已经成为叶片最主要的失效形式之一。通过对叶片进行激光冲击强化，能够显著地提高其表面硬度、抗疲劳强度等综合机械性能。本文基于模态理论对采用逆向技术建立的叶片模型进行模态分析，研究了叶片激光冲击强化过程中冲击波的传播、波峰压的估算和残余应力形成理论，建立了叶片激光冲击强化的有限元模型，分析不同冲击参数和冲击工艺下叶片残余应力场的分布特性，采用正交实验完成了冲击参数的优化。进行了叶片激光冲击强化的实验研究，对比分析了仿真和实验得到的残余应力场，对数值仿真模型进行实验验证。论文主要工作和取得进展如下：
　　 1.在对叶片模态理论推导研究的基础上，对通过逆向工程技术建立的叶片实体三维有限元模型进行模态分析，分析得到叶片的前六阶固有频率和相应的振型，确定叶片强化的危险区域，为其激光冲击强化仿真分析中全局阻尼的设置提供依据。
　　 2.通过对激光冲击强化机理的研究，阐述了高压等离子体爆轰波的形成过程，对比分析了国内外学者提出的冲击波峰压模型，确定了适用于有限元分析的冲击波峰压计算模型。运用基于Von Mises屈服准则的一维冲击理论模型的分析研究了激光高压脉冲下冲击波在叶片材料内的传播，获得了冲击波峰压的取值范围。
　　 3.对求解冲击动力学问题的LS DYNA显式算法进行了分析，建立了叶片激光冲击强化的有限元模型，对激光冲击强化过程仿真中的载荷施加、网格划分、阻尼设置等关键问题进行探讨。通过仿真研究了激光功率密度、光斑大小、脉冲宽度、冲击次数等单因素对残余应力场的影响规律，采用正交试验完成了参数的优化，给出最佳工艺参数组合。同时分析了不同搭接率和双面同时与非同时冲击强化对残余应力场的影响。
　　 4.采用优化工艺参数进行了激光冲击强化实验，通过X射线衍射法对强化区域残余应力进行了测定，实验结果表明：激光强化处理能够显著提高叶片表面的物理机械性能，冲击强化后的叶片表面形成了稳定的残余压应力场，尽管仿真和实验结果在数值上存在差异，但是残余应力曲线具有相同的变化趋势，说明仿真所取得的结果在某种程度上能够为叶片的激光冲击强化实验研究提供参照和依据。