一、技術領域

本發(fā)明涉及激光沖擊強化領域，具體是一種用于確定多點激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑的方法。

二、

背景技術：

利用納秒脈沖激光誘導產(chǎn)生的等離子體沖擊波效應，在表層金屬材料內(nèi)引入具有一定深度的殘余壓應力，從而改善金屬零件的抗疲勞性能和進一步提高疲勞壽命，同時材料表面的硬度和強度等性能也得到提高，激光沖擊強化技術被廣泛應用于航空、航天等領域。然而，激光沖擊強化技術在帶來以上諸多好處的同時也會引起零件的變形，尤其是金屬薄壁件，由激光沖擊強化引起的零件變形將影響零件的使用性能及后續(xù)的裝配。金屬薄壁件的激光沖擊強化變形是目前急待解決的難題之一。

為了達到較優(yōu)的激光沖擊強化效果，需要采用合理的沖擊強化工藝參數(shù)，然而由于激光沖擊強化薄壁件變形機理的復雜性以及變形中諸多可變因素的影響，使得在優(yōu)化工藝參數(shù)上存在很大困難。如果僅依靠實驗數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗來確定工藝參數(shù)，則耗時耗資。因此將有限元引入激光沖擊強化薄壁件中，對沖擊強化工藝參數(shù)進行優(yōu)化，但在實際操作中，由于光斑尺寸相對工件來說很小，沖擊強化過程中光斑的數(shù)量成千上萬，同時為獲得沿厚度方向的應力和應變分布還需沿零件厚度方向進行網(wǎng)格細化，這樣有限元模擬的計算量將非常巨大，受到計算成本的限制，現(xiàn)在需要一種將激光沖擊強化工藝參數(shù)和零件變形曲率半徑建立起關聯(lián)的計算方法。

三、

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有優(yōu)化激光沖擊強化薄壁件工藝參數(shù)技術中的不足，本發(fā)明提出一種用于確定多點激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑的方法。該方法采用理論與有限元模擬相結合的方法，利用本征應變的思想，在較少的時間內(nèi)確定激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑，從而花費較少的成本即可建立起激光沖擊強化工藝參數(shù)與薄壁件變形的關系。

本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：

(1)在abaqus中，對與實際薄壁件具有相同厚度的特征單元體進行多點激光沖擊強化模擬，獲得特定工藝參數(shù)下零件厚度方向的塑性應變分布；

(2)將有限元模擬得到塑性應變厚度方向分布數(shù)據(jù)導入matlab，在其中對模擬數(shù)據(jù)進行平均化處理，然后對平均塑性應變數(shù)據(jù)進行擬合處理，獲得塑性應變在厚度方向的分布函數(shù)；

(3)將塑性應變分布函數(shù)帶入激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑理論公式，獲得曲率半徑的大小。

本發(fā)明提出的一種用于確定多點激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑的方法。本方法根據(jù)本征應變的思想，在有限元模擬中只需對特征單元體進行模擬分析，即可獲得實際零件厚度方向的塑性應變分布，同時激光沖擊強化過程數(shù)值模擬只需進行顯式分析，對于多光斑的激光沖擊強化載荷施加過程，采用fortran語言編輯的子程序?qū)崿F(xiàn)不同位置不同時刻的加載，提高了效率，大大減少了計算成本；同時采用matlab對模擬得到的塑性應變厚度方向分布數(shù)據(jù)進行平均化處理，進一步進行數(shù)據(jù)擬合處理，提高了數(shù)據(jù)分析的效率和準確性，最后將由不同的工藝參數(shù)(激光功率密度、光斑半徑、沖擊強化路線、強化次數(shù)、搭接率、脈寬)得到的厚度方向塑性應變分布數(shù)據(jù)帶入所提出的變形曲率半徑理論公式，確定變形曲率半徑的數(shù)值，因此該方法具有快速化、低成本、簡便易行、計算準確的特點，工程應用前景好。

四、附圖說明

圖1為一種用于確定多點激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑的方法的流程圖。

圖2為數(shù)值模擬得到的塑性應變分布圖。

圖3為在matlab中對厚度方向塑性應變平均化數(shù)據(jù)進行擬合的分布圖。

五、具體實施方式

下面結合具體實例求多點激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑r

本發(fā)明的技術方案作以下詳細描述：

1.首先是針對多點激光沖擊強化薄壁件過程進行數(shù)值模擬，此過程只需采用explicit求解器。

多點激光沖擊強化過程數(shù)值模擬包括以下步驟：

1.1.建立幾何模型及定義材料屬性：激光沖擊強化薄壁件實際尺寸為500mm*50mm*3mm,根據(jù)本征應變思想，模擬分析的特征單元體幾何尺寸為22mm*22mm*3mm，材料密度為4500kg/m³,泊松比0.34，彈性模量為110gpa。采用johnson-cook模型來描述tc4鈦合金的動態(tài)本構關系，公式1為該模型的表達式。

式中：a為屈服強度，b和n反映了材料的應變硬化特征，c反映了應變率對材料性能的影響，εp代表等效塑性應變，代表參考應變速率，代表動態(tài)應變率；

1.2.設置顯式分析步：分析步的時間應確保在每個分析步中動能最后趨近于0，本分析實例中時間設置為2×10^-5s；

1.3.施加載荷和劃分網(wǎng)格：激光功率密度為6.42gw/cm²，采用平頂光束，圓形光班，光斑大小為3mm，脈沖寬度設置為10ns，搭接率為50％，使用fortran編輯子程序進行多光斑不同位置和不同時刻載荷的施加；在激光沖擊強化區(qū)域進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格大小為150μmx150μmx75μm；

1.4.提交分析作業(yè)及后處理：完成有限元計算，得到激光沖擊強化的數(shù)值模擬結果，包括應力、應變、位移，塑性應變分布如圖2所示。

2.將厚度方向塑性應變分布數(shù)據(jù)進行平均化處理，然后對數(shù)據(jù)進行擬合，得到應變分布函數(shù)f(x),擬合分布如圖3所示。

f(x)＝0.01241*exp[-((x-3.93)/1.111)²](2)

其中,x為零件厚度方向位置。

3.將塑性應變分布函數(shù)帶入激光沖擊強化薄壁件變形曲率半徑理論公式，獲得曲率半徑的大小，曲率半徑為：

其中γ稱作深度平均本征應變，γ1稱作本征應變矩，xr為零件上表面坐標，xl為零件下表面坐標，k為曲率，此處xr＝3；xl＝0；h為零件厚度，此處h＝3,最后求得曲率半徑大小r＝206mm。