基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
基于ABAQUS平台的激光冲击数值仿真
基于ABAQUS平台的激光冲击数值仿真目前，激光冲击技术已经成为一种提高材料疲劳及腐蚀性能的可行的表面处理技术。
在激光冲击过程中对金属表面的影响，主要由冲击波产生的机械效应引起。
激光冲击(Laser Shock Processing，LSP)是利用功率密度大于109W/cm2，短脉冲(ns级)的激光束通过透明约束层辐照金属材料表面，使涂层材料汽化后形成等离子体，等离子体爆炸产生高强度冲击波(冲击波峰压达GPa级)冲击金属表面并向内部传播，在形成密集、稳定的位错结构的同时，使表面材料发生塑性变形并残留很大的压应力，从而提高金属材料多种机械性能(强度性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和疲劳性能等)的激光表面强化技术。
激光冲击技术采用的是“约束汽化”冲击方式，工作结构如图1所示。
本文应用大型有限元计算软件ABAQUS，模拟35CD4 50 HRC合金靶材经过激光冲击后表面及内部残余应力的分布，并将计算结果与相同激光冲击条件下的试验结果进行比较。
图1 激光冲击示意图1 有限元模型1.1 有限元仿真激光冲击过程的动态加载是复杂的非线性动力学问题。
激光诱导的冲击波峰值压力大且作用时间短。
当金属局部表面受到这种冲击载荷作用时，扰动会逐渐由近及远传播到未受扰动的区域中去，这种扰动的传播就是应力波。
选择显式积分算法可精确追踪靶材由于应力波作用所产生的动力学响应。
由于应力波在金属靶材内部传播过程中存在反射和相互作用，因此为了使靶材获得充分的塑性变形，必须使设定的显式算法的计算时间，大于激光诱导冲击波的持续时间。
为了以最小的计算机时获得最终靶材表面及内部的残余应力场分布，需要将应用动力显式算法得到的计算结果，导人适合于计算静态和自然频率响应问题的静力隐式算法模块，进行平衡回弹运算。
另外，在模拟单点多次激光冲击形成的残余应力场时，第一次冲击计算得到的残余应力和应变值，应作为初始值读入显式积分算法模块中，以进行第二次冲击波加载的有限元计算。
激光冲击强化TC4_钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析
第52卷第10期表面技术2023年10月SURFACE TECHNOLOGY·411·激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析王淑娜，伏培林，李嘉伟，张旭，阚前华*（西南交通大学 力学与航空航天学院 应用力学与结构安全四川省重点试验室，成都 611756）摘要：目的获取TC4钛合金激光冲击强化层的弹塑性本构模型参数，结合纳米压痕试验和有限元模拟技术，进行激光冲击强化TC4钛合金的材料参数反演计算。
方法首先，在TC4钛合金试样侧面沿强化层深度方向进行纳米压痕测试，获得距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线。
进而，基于幂律应变硬化模型，通过无量纲方程和有限元模拟反演得到激光冲击强化TC4钛合金梯度强化层的弹塑性参数。
最后，将反演获得的弹塑性本构模型材料参数用于有限元模拟，将模拟结果与试验结果进行对比，验证参数反演结果的合理性。
结果强化层表面的弹性模量和纳米硬度较母材分别提高了11%和30%，强化层内的应变硬化指数和屈服强度沿深度方向分别递增和递减。
模拟的载荷-压入深度曲线与试验曲线吻合较好，最大压入载荷、弹性模量和纳米硬度的模拟误差分别小于1%、7%和3%，证实了参数反演结果的合理性。
结论通过无量纲方程反演算法得到的强化层本构参数有较强的可信度。
激光冲击强化可有效提升TC4钛合金的表面力学性能，强化层的本构参数呈梯度分布，表面的抗塑性变形能力大幅提升。
关键词：TC4钛合金；激光冲击强化；纳米压痕；无量纲分析；反演分析；有限元模拟中图分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)10-0411-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.10.037Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium AlloysWANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, ZHANG Xu, KAN Qian-hua*(Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Mechanicsand Aerospace Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)ABSTRACT: Laser shock processing (LSP) can form a strengthening layer with a gradient structure on the surface of parts, and thus improves the fatigue life. It is of great significance to obtain the elasto-plastic parameters of TC4 titanium alloy after LSP for the fatigue life prediction. However, there are few reports on the determination of elasto-plastic parameters of LSP TC4 titanium alloy. The reverse algorithm combining the nano-indentation experiments with finite element simulation is an effective method to obtain the constitutive parameters of the thin strengthening layer. Therefore, employing the nano-indentation experiments and finite element simulation, the reverse analysis of the LSP TC4 titanium alloy was conducted to determine the收稿日期：2022-09-02；修订日期：2023-03-10Received：2022-09-02；Revised：2023-03-10基金项目：国家自然科学基金（12072295，12192214，11872321）Fund：National Natural Science Foundation of China (12072295, 12192214, 11872321)引文格式：王淑娜, 伏培林, 李嘉伟, 等. 激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析[J]. 表面技术, 2023, 52(10): 411-421. WANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, et al. Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium Alloys[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 411-421.*通信作者（Corresponding author）·412·表面技术 2023年10月elasto-plastic parameters. First, the nano-indentation experiments of the LSP TC4 titanium alloy specimen were carried out based on the Nano indenter G200 nano-indentation experimental apparatus with the Berkovich diamond indenter, and the indentation depth of 1 000 nm was set by the displacement-controlled method. Then the nano-indentation experiments were carried out on a single side of specimen along the depth direction of the strengthening layer, and the corresponding load-displacement curves at different distances from the surface were obtained. Subsequently, the distributions of elastic modulus and nano-hardness along the depth direction of the strengthening layer were obtained after using the Oliver-Pharr method to determine the unloading stiffness and the reduced modulus from the unloading curves. Then, following the power-law strain hardening assumption, the yield stress and strain hardening index of the surface strengthening layer were determined by numerically solvingthe dimensionless equations of the representative stress, the ratio of plastic work to total work, and the ratio of residual depth to pressing depth, respectively. Therefore, the elasto-plastic parameters of the surface strengthening layer of LSP TC4 titanium alloy were obtained. Finally, the elasto-plastic parameters obtained by the reverse analysis were introduced toa two-dimensional axisymmetric nano-indentation finite element model. The effectiveness of the reverse analysis was verifiedby comparing the simulated results with the corresponding experimental results, which took into account the load-displacement curves as well as the variations of elastic modulus and nano-hardness with the distance from the surface. The obtained results showed that the elastic modulus, nano-hardness, yield stress and hardening index possessed a varying distribution along the thickness direction of the strengthening layer (about 300 μm). The surface elastic modulus, nano-hardness and yield stress of the strengthening layer reached 121.2 GPa, 5.0 GPa and 1 396.4 MPa, which were 11%, 30% and 55% higher than that of the substrate, respectively. However, the strain hardening index increased gradually along the depth direction, and the index at the substrate and the surface of the strengthening layer were 0.252 and 0.167, respectively. Additionally, the simulated load- displacement curves agreed with the experimental curves well, and the relative errors of the maximum load, elastic modulus and nano-hardness were less than 1%, 7% and 3%, respectively, demonstrating the effectiveness of the reverse analysis. The calculated results could be great helpful to the fatigue life prediction and the further optimization of LSP process parameters.KEY WORDS: TC4 titanium alloy; laser shock processing; nano-indentation; dimensionless analysis; reverse analysis; finite element simulationTC4钛合金（Ti-6Al-4V）因具有比强度高、耐热性高、耐蚀性好、密度小等特点而广泛应用在船舶、航空航天、车辆工程、生物医学等[1-6]领域。
以ABAQUS为平台的激光冲击数值仿真
以ABAQUS为平台的激光冲击数值仿真
姬广祯;张永康;张显程;刘春节;王正东
【期刊名称】《现代制造工程》
【年(卷),期】2009(000)005
【摘要】建立模拟激光冲击残余应力场的非线性弹塑性有限元模型.采用ABAQUS 仿真软件实现激光冲击残余应力场仿真,根据显式分析得到材料内部应力,验证显式分析过程的正确性.分析单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与试验结果比较吻合.
【总页数】4页(P17-20)
【作者】姬广祯;张永康;张显程;刘春节;王正东
【作者单位】华东理工大学机械动力工程学院,上海,200237;华东理工大学机械动力工程学院,上海,200237;江苏大学机械学院,镇江,212013;华东理工大学机械动力工程学院,上海,200237;华东理工大学机械动力工程学院,上海,200237;华东理工大学机械动力工程学院,上海,200237
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.利用浮动冲击平台考核舰用设备抗冲击能力的数值仿真研究 [J], 张玮
2.斜激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析 [J], 熊竻琦;仝崇楼;王文兵;李启鹏
3.基于ABAQUS的金属板料激光冲击成形数值模拟 [J], 周建忠;杜建钧;杨超君;刘
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激光喷丸强化疲劳寿命的有限元分析
激光喷丸强化疲劳寿命的有限元分析作者：严俐婉严炳泉来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2018年第05期【摘要】激光喷丸强化（Laser shot peening，简称LSP）通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力，从而抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，是一种新型的金属表面强化技术。
论文采用数值模拟方法对镁合金激光喷丸强化后的疲劳寿命进行了研究。
基于ABAQUS 和Fatigue两款软件，研究激光喷丸强化中关键参数对ZK60镁合金的疲劳寿命的影响，包括激光功率密度，激光光斑直径和激光喷丸次数的影响。
【Abstract】 Laser shot peening （LSP） is a new type of metal surface strengthening technique， which induces residual compressive stress on the surface of metal material by the shock wave induced by intense laser， which can inhibit the initiation and propagation of the fatigue crack. In this paper， the fatigue life of magnesium alloy strengthened by laser shot peening was studied by numerical simulation method. Based on the softwares of ABAQUS and Fatigue， the effects of key parameters in laser shot peening on the fatigue life of ZK60 magnesium alloy were studied，including the laser power density， laser spot diameter and laser shot peening times.【关键词】激光喷丸强化；镁合金；疲劳寿命；有限元分析【Keywords】 laser shot peening； magnesium alloy； fatigue life；finite element analysis【中图分类号】TN249 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0159-061 引言激光喷丸强化技术（Laser Shot Peening，简称LSP）是一种利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的新型材料表面改性技术，以延长零件使用的疲劳寿命。
激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析
激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析李兴成;张永康;周金宇;陈菊芳;卢雅琳【摘要】为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场. 结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa ~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的"残余应力洞"现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的"残余应力洞"现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa. 理论推导和有限元分析结果基本一致.%To obtain maximum surface residual compressive stress by optimizing technological parameters of laser shock , the formula of residual compressive stress on the surface of AZ 31 magnesium after laser shock process (LSP) was deduced from the theory of laser shock process and plastic deformation .Residual stress fields of AZ 31 magnesium by LSP was simulated with ABAQUS software.Finite element analysis shows that laser shock wave pressure of optimal residual compressive stress field ranges from 1.2GPa to 1.7GPa.With the increase of load, residual stress on the surface of AZ31 magnesium increases.The maximum residual compressive stress is about 125MPa with loading range from 1.4GPa to 1.6GPa.There is a slight residual stresses hole phenomenon impact when load is 1.8GPa and a significant residual stresses hole phenomenon when load is more than 1.9GPa.When the load is 1.474GPa, the maximumresidual stress is -128.5MPa.Experimental results are consistent with finite element analysis .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】6页(P5-10)【关键词】激光技术;镁合金;残余应力;塑性变形;有限元分析【作者】李兴成;张永康;周金宇;陈菊芳;卢雅琳【作者单位】江苏理工学院机械工程学院,常州213001;东南大学机械工程学院,南京211189;江苏理工学院机械工程学院,常州213001;江苏理工学院机械工程学院,常州213001;江苏理工学院机械工程学院,常州213001【正文语种】中文【中图分类】TN249;TG174.1*通讯联系人。
激光冲击钛合金薄壁件的强化与变形研究
激光冲击钛合金薄壁件的强化与变形研究激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化技术，在航空航天、精密加工制造、汽车制造、船舶制造等领域拥有广阔前景。
钛合金是当前应用在航空航天领域最多的材料之一，使用激光冲击强化技术对钛合金材料的表面进行强化处理，改善钛合金材料的力学性能，使之适应于各种条件下的服役环境。
本文分析了国内外有关激光冲击强化技术的研究，结合实验和有限元数值模拟，对激光冲击强化钛合金薄壁件产生的残余应力场和塑性变形进行研究和预测，主要研究内容与成果如下：1.激光冲击强化的基本理论分析。
基于激光冲击强化的物理过程，分析非约束模型和约束模型下的激光冲击波压力估算公式。
分析激光冲击强化材料后残余应力场和塑性变形的产生机理。
2.基于约束模型下的激光冲击波压力换算公式，以ABAQUS软件为平台，以动力学分析和静力学分析相互迭代的模拟方法，完成了对激光冲击强化钛合金薄壁件的有限元模拟，并对所得数据进行处理，探讨了激光冲击工艺参数和冲击方案对材料冲击效果的影响。
结合激光冲击强化的工程应用，根据实际加工中的工况特点，对航空发动机叶片的模型进行了激光冲击强化的有限元仿真，对叶片冲击后的残余应力场分布和塑性变形情况进行了预测，为发动机叶片生产中的变形控制工作提供一定的理论依据。
3.对激光冲击强化过程进行了实验研究，主要对激光功率密度和冲击次数进行了多因素实验研究。
利用X射线衍射法测试了激光冲击后材料表面的残余应力。
实验结果表明，激光冲击技术可以使TC4钛合金薄壁件表面产生较大幅度的残余压应力和塑性变形，从而延长材料的使用寿命。
研究证明对冲击后的试样进行了残余应力测试，对比实验测试值和数值模拟仿真值的结果，数据较为接近，证明数值模拟方法对激光冲击过程的仿真是可行的。
4.为了提高对激光冲击强化产生的残余应力和塑性变形的预测效率，考虑到有限元分析方法的复杂性，本文提出了基于支持向量机-粒子群优化结合算法（SVM-PSO）的激光冲击残余应力及塑性变形的预测方法。
在ABAQUS软件中仿真纯水射流冲击7075铝合金表面强化图像分析
在ABAQUS软件中仿真纯水射流冲击7075铝合金表面强化图像分析作者：赵兮来源：《河南科技》2018年第26期摘要：本文运用计算机仿真软件ABAQUS模拟高压纯水射流试验，在保持靶材（7075铝合金）的靶距、喷射的移动速度、喷嘴直径不变的情况下，通过改变射流水压、射流角度来研究不同模拟状态下产生的[xy]曲线，包括能量曲线、塑性应变曲线、残余应力曲线、表面形貌曲线，探讨残余应力产生的规律。
关键词：高压纯水射流;表面强化;残余应力;表面型貌;表面粗糙度中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）26-0062-041 研究背景高压纯水射流冲击强化是20世纪80年代末由Zafred[1]首先提出并发展起来的一项湿法喷丸强化新技术，是高压纯水射流技术相对较新的应用领域，其具有受喷材料表面粗糙度值增加小、喷丸强度范围宽、覆盖率高、喷丸灵活、控制方便、无尘和安全绿色环保等优点。
高压纯水射流作为一种新兴的表层改性技术，通过合理调整工艺参数，可以在上述零件部位引入较大的残余压应力，实现有效的改性，提高零件的抗疲劳性能。
7075铝合金是美国较早开发的一种铝合金，其因强度高、重量轻的特性成为航空航天领域内应用范围最广的的金属材料，常被用于制造大型整体结构件，被誉为铝合金中性能最优良的产品[2]。
用计算机仿真软件ABAQUS模拟高压水射流冲击7075铝合金靶材的目的是能直观地获取试验中很难获取的物理参数与力学状态，可以有效节约试验时间、降低成本，为高效高精度的试验奠定理论基础。
在此，对仿真的过程与结果进行论述。
ABAQUS是国际通用的有限元分析软件之一，功能强大，能够高效地模拟工程上的复杂问题。
纯水射流冲击强化的研究需要综合考虑固体靶材的弹塑性特性、水的变形、求解计算时间与计算精度等问题[3]。
2.2 建立模型建立7075铝合金的几何模型，在ABAQUS软件中建立简化之后的7075铝合金几何模型（见图1）。
在ABAQUS软件中仿真纯水射流冲击7075铝合金表面强化图像分析
摘 要：本文运用计算机仿真软件 ABAQUS 模拟高压纯水射流试验，在保持靶材（7075 铝合金）的靶距、喷射
的移动速度、喷嘴直径不变的情况下，通过改变射流水压、射流角度来研究不同模拟状态下产生的 xy 曲线，包
括能量曲线、塑性应变曲线、残余应力曲线、表面形貌曲线，探讨残余应力产生的规律。
关键词：高压纯水射流；表面强化；残余应力；表面型貌；表面粗糙度
材采用 Johnson-Cook 本构模型。其表达式为：
σ =(A + BεP)(1 + CIn ε_ )(1 - T m)
（2）
式中，σ 为材料屈服应力；A 为参考温度和参考应变
率下（准静态下）的屈服强度；B 为应变硬化系数；P 为应
变硬化指数；C 为应变率硬化系数，m 为热软化效应指
数。因此，7075 铝合金 Johnson-Cook 模型参数分别是 A =
能直观地获取试验中很难获取的物理参数与力学状态， 可以有效节约试验时间、降低成本，为高效高精度的试验 奠定理论基础。在此，对仿真的过程与结果进行论述。
ABAQUS 是国际通用的有限元分析软件之一，功能 强大，能够高效地模拟工程上的复杂问题。纯水射流冲 击强化的研究需要综合考虑固体靶材的弹塑性特性、水 的变形、求解计算时间与计算精度等问题［3］。
作者简介：赵兮（1980—），男，在职研究生，工程师，研究方向：机械工程。
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第9期
在 ABAQUS 软件中仿真纯水射流冲击 7075 铝合金表面强化图像分析
·63·
曲线纵轴截距；s
是斜
率系数
；ρ
1 研究背景
高压纯水射流冲击强化是 20 世纪 80 年代末由 Zaf⁃ red［1］首先提出并发展起来的一项湿法喷丸强化新技术， 是高压纯水射流技术相对较新的应用领域，其具有受喷 材料表面粗糙度值增加小、喷丸强度范围宽、覆盖率高、 喷丸灵活、控制方便、无尘和安全绿色环保等优点。高压 纯水射流作为一种新兴的表层改性技术，通过合理调整 工艺参数，可以在上述零件部位引入较大的残余压应力， 实现有效的改性，提高零件的抗疲劳性能。
一种合金金属表面激光冲击强化装置[实用新型专利]
![一种合金金属表面激光冲击强化装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0a739ca0c850ad02df8041b9.png)
分享自己一到六年级的难忘回忆作文作文一《分享自己一到六年级的难忘回忆》从一年级那个懵懵懂懂的小豆包，到现在即将毕业的大孩子，我的小学生活就像一幅五彩斑斓的画卷。
一年级的时候，我特别胆小，不敢跟同学们说话。
有一次，老师让我们做自我介绍，我紧张得手心出汗，声音小得像蚊子叫。
但是，同学们都很友好，给了我鼓励的掌声，让我慢慢变得勇敢起来。
二年级的六一儿童节，那是我第一次上台表演节目。
我穿着漂亮的裙子，化着妆，心里像揣了只小兔子，怦怦直跳。
当音乐响起，我跟着节奏跳起舞来，看到台下老师和同学们的笑脸，我跳得更起劲了。
三年级，我们全班一起去春游。
那天阳光特别好，我们在草地上野餐、做游戏，笑声在空气中回荡。
我还和小伙伴一起捉蝴蝶，虽然一只也没捉到，但过程特别开心。
四年级的运动会上，我参加了跑步比赛。
比赛前，我每天都努力练习，累得气喘吁吁。
比赛时，我听到同学们为我加油的声音，一下子充满了力量，居然得了第一名，那种喜悦的心情，我到现在都还记得。
五年级的时候，我们换了新的班主任。
一开始我还有点担心，但是新老师特别温柔，她的课也很有趣，让我很快就喜欢上了她。
六年级，学习变得紧张起来，但我们还是会在课间一起玩耍。
马上就要毕业了，真舍不得这些可爱的同学们和亲爱的老师们。
这就是我一到六年级的难忘回忆，它们就像一颗颗闪闪发光的珍珠，永远留在我的心里。
作文二《分享自己一到六年级的难忘回忆》嘿，小伙伴们！今天我来给你们讲讲我小学一到六年级的难忘事儿。
一年级入学第一天，我找不到教室，急得都快哭了。
还好有个高年级的大哥哥带我去了，我心里可感激他啦！二年级的时候，有次数学考试我没考好，特别难过。
回家后妈妈没有骂我，而是耐心地陪我一起复习，后来再考试我就进步了好多。
三年级，学校组织我们去参观博物馆。
我看到了好多从来没见过的东西，觉得世界可真神奇。
四年级，我和同桌闹别扭了，谁也不理谁。
后来老师找我们谈心，我们才和好如初，从那以后我俩的关系更好了。
激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究的开题报告
激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究的开题报告一、研究背景与意义铝合金作为一种重要的结构材料，在航空、汽车、船舶、建筑等领域中得到广泛应用。
然而，铝合金在使用过程中，由于长期的受力、疲劳、高温环境等因素的影响，往往会出现塑性变形和疲劳裂纹等问题，导致材料的性能和寿命下降。
为了解决这些问题，实现铝合金的强化和提高其力学性能，激光冲击强化技术被广泛研究和应用。
该技术通过激光振荡冲击激发材料表面的应力场，使得表层材料的硬度和强度得到提升，从而提高铝合金的抗疲劳性能和机械性能。
然而，目前对激光冲击强化铝合金力学性能的研究还比较少，尤其是对其微观塑性变形机理的研究尚处于起步阶段。
因此，本研究旨在通过对铝合金的激光冲击强化实验及数值模拟，探究激光冲击强化对铝合金力学性能的影响及其微观塑性变形机理，为铝合金的强化与应用提供理论依据。
二、研究内容和方法1. 研究内容本研究将以铝合金为研究对象，通过激光冲击强化实验及理论分析，探究激光冲击强化对铝合金力学性能的影响及其微观塑性变形机理。
具体包括以下研究内容：（1）激光冲击强化过程中铝合金表面的硬度和强度变化规律；（2）不同激光强度、冲击次数及间距对铝合金力学性能的影响；（3）激光冲击强化对铝合金微观组织和结构的影响及其变形机理。
2. 研究方法本研究的研究方法主要包括以下方面：（1）激光冲击强化实验：选取适当的激光参数和实验条件，对铝合金进行激光冲击强化实验，得到材料的硬度、强度及其变化规律。
（2）力学测试：采用万能试验机等设备对铝合金进行拉伸试验、冲击试验等力学性能测试。
（3）显微组织观察：通过金相显微镜和扫描电镜等设备观察铝合金表面和内部组织的结构变化和形态特征。
（4）数值模拟：基于ABAQUS等软件，进行数值模拟，模拟激光冲击强化的过程及其中的变形机理。
三、研究预期成果本研究的预期成果包括：（1）探究激光冲击强化对铝合金力学性能的影响及其微观塑性变形机理的规律和特征；（2）揭示激光冲击强化过程中铝合金表面硬度、强度变化规律和材料性能的提高机制；（3）为铝合金的强化和应用提供理论基础和技术支持。
激光表面强化数值仿真分析
激光表面强化数值仿真分析
激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)技术是一种利用高功率密度短脉冲激光来改善金属综合机械性能的表面改性技术激光冲击强化技术多数采用光斑能量呈高斯分布的圆形光斑,光斑中心具有最大的冲击波压力。
同传统的机械喷丸、滚压强化相比,激光冲击强化技术有着加工柔性大、效率高、形成的残余压应力层深、表面质量好等优点,在航空、航天等制造领域有着潜在的重要应用。
2024-T3铝合金是用于制造飞机骨架零件的高强结构铝合金,研究2024-T3铝合金的激光冲击强化规律对于提高其疲劳寿命等机械性能具有重要意义。
本文以2024-T3铝合金为研究对象,采用有限元软件ABAQUS对2024-T3铝合金残余应力场进行三维数值模拟。
应用Johnson-Cook(JC)本构模型系统地探讨了激光参数对残余应力场的影响,主要内容及结论如下:分析激光参数(功率密度、光斑尺寸、脉宽、冲击次数)对单个光斑的表面和深度方向上的残余应力分布,得出适当的功率密度可以提高靶材表面残余压应力;光斑半径越大,残余压应力分布越均匀;脉宽使得残余压应力层深度的增量比较稳定;一定的冲击次数使得表面残余压应力和残余压应力层深度最大。
分析多个光斑下中心距和搭接率分别对残余应力场的影响,通过对中心距的讨论,得出正方形排列和正六边形排列对残余应力场的影响效果相同,均会使表面的残余压应力分布不均匀,且有一定的残余压应力层,而且加载条件不同时,会使模型底面产生不同的残余拉应力。
搭接率越大,表面残余压应力分布越均匀,且其值也会增大,残余压应力层也有一定的增大,但模型底面也产生很大的残余拉应力。
对于此现象,采用双面冲击
以消除残余拉应力。
211241036_无保护层激光冲击强化的热效应研究
第52卷第5期表面技术2023年5月SURFACE TECHNOLOGY·347·无保护层激光冲击强化的热效应研究窦杨，周王凡，吴永胜，陈兰，任旭东（江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013）摘要：目的深入理解无保护层激光冲击强化（LSPwC）的物理过程。
方法对轧制TA2纯钛板材进行LSPwC 处理，通过激光扫描显微镜、X射线应力仪分析试样的表面形貌和残余应力分布，使用透射电子显微镜分析LSPwC后试样表层的微观组织特征。
使用Abaqus软件建立LSPwC过程的热力耦合仿真模型，分析试样温度和应力演变规律。
结果当激光脉冲能量为30 mJ、光斑直径为0.4 mm时，经LSPwC处理后TA2试样表面形成了厚度约为50 μm的残余拉应力层，其最大残余压应力达到560 MPa，出现在距表面100 μm的次表层；经LSPwC处理后TA2试样表面产生了超细马氏体晶，距表面100 μm的微观组织表现为高密度位错缠结。
随着激光脉冲能量和光斑直径的增大，激光热效应的持续时间增长、热影响深度增大，经LSPwC处理后TA2试样的残余压应力层深度增大。
在LSPwC过程中，距表面10.2 μm以内深度层的冷却速度超过106℃/s，但冷却速度随着脉冲能量和光斑直径的增大而减小。
结论在LSPwC过程中，激光热效应和激光诱导冲击波作用，导致试样表层迅速升温，并发生塑性变形，然后快速降温，形成了独特的残余应力分布和微观组织状态。
关键词：激光冲击强化；纯钛；热力耦合；残余应力；微观组织；温度场中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)05-0347-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.05.034Thermal Effect of Laser Shock Peening without CoatingDOU Yang, ZHOU Wang-fan, WU Yong-sheng, CHEN Lan, REN Xu-dong(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang, 212013)ABSTRACT: Laser Shock Peening without Coating (LSPwC) technology is suitable for special processing environment while ensuring the strengthening effect and processing efficiency. The improved surface properties of metal materials after LSPwC attribute to the introduction of compressive residual stress and modification of microstructure. However, the thermo-mechanical coupling effect on stress state and microstructure has not been well understood. This paper aims to investigate the formation mechanism of residual stress and microstructure in TA2 pure titanium under laser induced thermal and mechanical effects收稿日期：2022–04–17；修订日期：2022–08–29Received：2022-04-17；Revised：2022-08-29基金项目：国家自然科学基金（52105448）；江苏省自然科学基金（BK20200912，BK20210754）；中国博士后科学基金（2020M671409，2021M101519）；江苏省博士后科学基金（2020Z030）Fund：Natural Science Foundation of China (52105448); Natural Science Foundation of Jiangsu Province (SBK2020041914); Natural Science Foundation for Post-doctoral Scientists of China (2020M671409, 2021M101519); Natural Science Foundation for Post-doctoral Scientists of Jiangsu Province (2020Z030)作者简介：窦杨（1998—），男，硕士生，主要研究方向为激光表面强化技术。
激光冲击钛合金板料的有限元模拟
激光冲击钛合金板料的有限元模拟
王瑞;阎兵;霍文国;张兴会
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2013(000)010
【摘要】激光冲击强化技术(LSP)是一种新型的表面处理技术,它利用激光冲击波作用靶材表面而产生残余压应力场.通过有限元软件模拟(FEM)可以分析激光冲击强化处理后靶材的残余压应力场分布,分析材料表面和深度方向的残余应力场的分布情况.先分析了材料的本构模型、激光冲击波的峰值压力的计算、有限元单元类型的选取、边界条件的处理等条件；再通过有限元软件ABAQUS对激光冲击TC4钛合金板料进行了数值模拟,分析了残余应力场的分布特点.
【总页数】3页(P85-87)
【作者】王瑞;阎兵;霍文国;张兴会
【作者单位】天津职业技术师范大学高速切削与精密加工重点实验室,天津300222;天津职业技术师范大学高速切削与精密加工重点实验室,天津300222;天津职业技术师范大学高速切削与精密加工重点实验室,天津300222;天津职业技术师范大学高速切削与精密加工重点实验室,天津300222
【正文语种】中文
【中图分类】TG665;TN249
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《现代设计理论与方法》
基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
班级机械工程
学号
姓名
基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
一、激光冲击金属表面强化的国内外现状
金属材料的失效形式主要是于材料表面的疲劳、腐蚀和磨损,所以材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。
激光冲击强化是利用短脉冲( 一般在5 0s n以内)、高功率密度的激光通过透明约束层，作用于金属表面所涂覆或帖附的吸收层上，吸收层吸收激光能量后迅速气化。
形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。
当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。
激光作用结束后，由于冲区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。
激光冲击的研究可以追溯到1963年，White首先发现了激光诱发冲击波现象[5l,这一发现为激光冲击技术的应用拉开了序幕。
目前激光冲击强化在美国已历经三十多年的发展，技术逐渐成熟。
2000年以来,高能激光冲击强化技术研究水平有了新突破,应用领域有了新的拓展,其中一些成果受到世人瞩目。
利弗莫尔(livemore)实验室在YMP研究计划中进行了304不锈钢的耐腐蚀实验,证实激光冲击后的不锈钢试样耐腐蚀性能获得了极大提高。
高能束激光冲击技术可用于核废料储存容器焊缝的处理,以及改善核反应器的安全性与可靠性,延长反应器零件的工作时间,从而使沸水反应器和压力水反应器具有更长的服役时间和更低的运行成本。
日本东芝为了将激光冲击处理技术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化,专门设计了激光冲击伸缩强化头,可深入内壁实施强化。
我国对激光冲击处理技术的研究始于上世纪90年代。
中国科技大学、华中科技大学、南京航空航天大学等单位在这方面已做了大量的基础研究,但还没有工化应用。
1991年我国高功率(109w/cm2)激光装置通过鉴定,激光冲击强化的研究才真正开始。
1993年,在国家有关部门支持下,中国科技大学与南京航空航天大学、成都飞机设计研究所等单位合作,采用特制的激光冲击处理实验装置,对激光冲击进行了一系.列的研究,有效地强化了碳钢、合金钢及镍基高温合金钢。
“九
五”期间,北京航空制造工程研究所在北京航空航天大学、中国科学技术大学等单位协助下,进行了Tc4、GH3o、Icr18Ni好i、2024、1420等材料的激光冲击处理试验,在钦合金、不锈钢等材料上取得了很好的试验效果。
北京航空制造研究所对2.5m们。
厚的铝合金2024T-62板材铆钉孔激光冲击强化后铆接,发现激光冲击处理能稳定提高铆接结构疲劳寿命(经历的完整谱块数)约80%。
高温合金GFOO板材缺口疲劳试件(应力集中系数kt=2.85),在最大应力水平凡昭=334MPa,R二0.1情况下,激光冲击处理后疲劳寿命提高400%以上;铝合金、高温合金、高强钢等典型材料裂纹扩展速率大幅降低,在强化效果明显的区域下降尤为明显,这种特性对抑制裂纹萌生更为有利。
GH30氢弧焊焊缝激光冲击处理后,焊缝表面显微硬度提高40%,抗拉强度提高12%以上,表面残余拉应力转化为残余压应力。
二、目前研究存在问题、难点、研究趋势
首先就实质的被加工工件而言，在激光冲击加工过程中如何使其对激光的能量利用率达到最大，以及在冲击加工过程中被加工工件的变形量的影响因素等等。
虽然激光冲击强化技术在诸多领域得到了应用，但要在实际工程中得到广泛运用还有许多问题要解决，比如提高改变性能的各种影响因素，高性能的激光冲击装置，廉价且容易操作的无损检测手段等。
此外，目前国内外普遍采用的透明约束层为光学玻璃、厚度约为1 ~3mm的水帘和柔性贴膜。
玻璃类约束层对激光冲击波的约束最好，但其加工适应性差。
无法满足形状比较复杂的局部冲击区域；另外，玻璃在冲击波的作用下回发生碎裂，故仅适应于激光单次冲击，不能重复使用。
水因其成本低、柔性好、可循环使用和对复杂曲面的适用性强等优点而被广泛使用，但约为1 ~3mm的水帘厚度在实际的操作过程当中很难控制，且厚度约为1 ~3mm的水帘刚性不足，对冲击波的约束效果不佳，削弱了激光冲击强化效果。
针对现有的激光冲击强化方法的不足及存在的问题，有必要对现有的激光冲击强化法进行革新来解决传统的强化方法前后预处理工艺繁琐、光学系统复杂以及辅助装置过多的缺点。
目前，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的激光与智能能量场制造团队正在研究一种利用谐振腔形成复合冲击波的激光冲击强化
方法，其主要目的是着重解决冲击波的祸合效率提高问题，以及约束层的可控性
问题，预期达到的有益效果是将等离子体冲击波的能量利用率提高到5 0 % 以
上，解决目前常用约束层加工适应性差、不能重复使用、厚度不易控制和刚性不
足等问题。
三、研究方案
根据上述因素，此次研究针对激光冲击加工过程中对零件变形量的影响因素进行
研究，此次分别对能量、光斑直径、冲击次数、板材厚度进行一个综合的研究对
其影响因素。
本实验选用紫铜作为试样，其方案如下：
1、改变激光能量：
能量为0.5J、IJ、1.5J、2J，光斑直径为1mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.05mm
2、改变光斑直径
光斑直径为1mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.02mm
能量为0.5J
3、改变冲击次数
冲击次数为1、2、3、4，凹模孔径为4mm,光斑直径为1mm，能量为1J，板
材厚度为0.05
4 板材厚度
板材厚度为0.02mm、0.03mm、0.05mm、0.1mm，凹模孔径为4mm,光斑直径为
为1mm，能量为2J
四、各种影响因素对激光冲击加工的影响仿真结果
3D展示图
X方向截图 Y方向截图
根据不同的实验方案其结果曲线图如下：
1、激光能量
光斑直径为1mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.05mm
能量为0.5J、IJ、1.5J、2J、
X方向Y方向
2、光斑直径
光斑直径为1mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.02mm 能量为0.5J
X方向Y方向
3、冲击次数
冲击次数为1、2、3、4，凹模孔径为4mm,光斑直径为1mm，能量为1J，板材厚度为0.05
X方向Y方向
4、板材厚度
板材厚度为0.02mm、0.03mm、0.05mm、0.1mm，凹模孔径为4mm,光斑直径为为1mm，能量为2J
X方向Y方向
总结：
1激光能量
由图可以看出，当激光能量为0.5J时，深度方向上的塑性变形量并不明显，但是当激光能量发生改变时，试样的最大变形量由几十微米增大到几百微米，为使金属板材发生一定的塑性变形，激光能量有一个合理的范围，其大小存在两个阈值，一是激光能量应高于一定数值，以使等离子体爆轰波压力高于金属的动态屈服极限，使板材发生塑性变形；二是激光能量超过某一数值时，工件有可能出现破裂现象，说明过高的激光能量使板材塑性变形超过成形极限。
在本实验中对0.05mm厚的紫铜采用激光器的最大能量2J时，板材并未出现破坏。
因此，激光冲击微细塑性成形处理工艺中需要选择适当的激光能量，并非越大越好。
2 光斑直径
图给出了当激光光斑直径变化时，板材变形量的变化趋势。
从图中可以看出，激光光斑对试样冲击成形效果的影响较为复杂。
由于激光光斑直径对变形量的影响也有两种情况，一是当激光功率密度远大于激光冲击板材变形所需的阈值时，激光有效作用面积对板材的变形量的影响起主要作用，随光斑直径的增大而增加；二是当激光功率密度非常接近激光冲击板材变形所需的阈值时，激光功率密度对板材的变形量的影响起主导作用，在脉冲能量一定的情况下，光斑直径越大，变形量却越小。
这是主要是因为随着激光光斑直径的增大，激光的有效作用面积增大，能量密度却变低，从而导致板材的变形困难。
而本次实验激光诱导的冲击波压力远远大于T2紫铜的动态屈服强度，所以随着光斑直径的增大，板材的变形量也增大。
3 冲击次数
从图中可以看出，随着冲击次数的增加，板材的影响区域基本未发生变化，而深度方向上的塑性变形量增大。
如果冲击次数继续增加，板材可能出现破坏现象。
扫描电镜下观察多次冲击后试样表面已有较多的微观裂纹及空洞，经过硬度测试表明，成形后金属板材表面的硬度比基体有一定的增加。
说明试样在经激光冲击成形后，金属表面发生硬化现象，这将导致后续变形比之前要困难。
4 板材厚度
随着板厚的增加，成形深度随之减小。
这种现象可以从流动应力尺寸效应的角度解释：随着板材厚度的增加，流动应力随之提高，故成形难度也随之提高，所以成形深度减小。
另外，板材厚度越大，微细塑性变形功也越大，所以在相同的激光能量下，成形深度逐渐减小。
根据板材变形时的压力和其它参数的关系式P∝LtW，其中L为变形区域的周长，t为板材厚度，W为变形量，在激光参数基本不变的情况下，激光诱导的冲击波压力基本不变，可以视为常量。
变形区域的周长由激光光斑直径决定，也视为常量，这样板材厚度t和变形量W之间就呈现反比的关系。
综上所述，在激光冲击加工中激光器的性能、辅助装置、约束层等对实验结果有很大的影响，但同时合理的选择激光能量、光斑直径、冲击次数、板材厚度对提高材料性能起着重要的作用。