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激光冲击强化残余应力的有限元模拟

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曲轴表面激光冲击强化的数值仿真

曲轴表面激光冲击强化的数值仿真

文章编号:1004-2539(2010)08-0067-03曲轴表面激光冲击强化的数值仿真王红军(南京工业职业技术学院,　江苏南京　210046)摘要　应用ANSY S有限元分析软件,分析了激光冲击强化对柴油机曲轴过渡圆角处的残余应力分布影响,比较模拟结果与试验值,得到的模拟结果与试验值基本吻合,证明了有限元模拟的方法及模拟前相关参数制定的正确性。

通过ANSY S模拟,可优化激光冲击强化的相关参数,使曲轴过渡圆角处产生有利的残余应力场。

关键词　曲轴　激光冲击　强化　有限元Numerical Simulation of Laser Impacting R einforcementof the Crankshaft SurfaceWang H ongjun(Nanjing Institute of Industry T echnology,Nanjing210046,China)Abstract　E ffect of laser im pacting rein forcement on the residual stress distribution of fillet for the diesel engine crankshaft is analyzed by ANSY S finite element analysis s oftware.The simulation results are com pared with the experi2 mental data,the simulation results are basically consistent with the experimental data.The finite element simulation method and related simulation parameters are correct is proved.The parameters of laser im pacting reinforcement are optimized by ANSY S simulation,and the residual stress fav orable distribution of the crankshaft fillet is obtained.K ey w ords　Crankshaft　Laser im pacting　Reinforcement　FE M0　引言由于曲轴结构复杂、刚性较差,在制造过程中又受到冷热加工等各种因素的影响,因此,处于工作状态的曲轴各部分应力分布是不均匀与交变的,尤其是在曲柄臂和过渡圆角部位会产生严重的应力集中[1-5]。

激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟

激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟

江苏大学硕士学位论文激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟姓名：郭乃国申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：罗新民20070427的测量研究嗍，他们测得了如图２．２所示的典型激光冲击波压力波形，其实验结果表明约束结构下激光冲击波的压力持续时间为激光脉宽的３～４倍。

这与以前的结果基本一致。

．ｔｏｏＯｌ§口２００３００４００Ｈｍ●“悖）图２．１高斯型激光脉冲与其产生的压力脉冲ｐ∞Ｆｉｇ．２．１Ｇａｕｓｓｉａｎｌａｓｅｒｐｕｌｓｅａｎｄｒｅｓｕｌｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓｅｌ４＂图２．２典型激光冲击波压力波形Ｉ删ｌａｓｅｒｓｈｏｃｋｓｔｒｅｓｓｗａｖｅ［６０１Ｆｉｇ．２．２Ｔｙｐｉｃａｌ２．２．２激光冲击波压力估算对于高强激光冲击靶面时所产生的冲击波压力的估算，许多学者都已进行了较为深入的研究，并提出了相应的爆轰波模型，并对其峰值压力进行了分析估算，建立了激光直接辐照靶面时非约束模式下所产生的冲击波压力的分析模氆。

而目前在实验与工程上所使用的激光冲击处理技术大多数是在约束模式下的，为此Ｒ．Ｆａｂｂｒｏ等人对约束模型下的冲击波压力求解进行了半理沧的研究【２１１，建立了如图２．３所示的激光冲击冲击波一维模型，并对冲击波峰值压力进行了估算，该模型作了如下假设：①激光能量均匀分布，整个光斑范围内，材料表面受热均匀；江苏大学硕士学位论文３．３实验结果分析３．３．１显微组织应用ＨＩＴＡＣＨＩ高压透射Ｈ－８００电镜观察４０Ｃｒ钢冲击区表层的显微组织，发现表层显微组织最显著的变化是出现高密度位错。

１．高密度位错图３．４是４０Ｃｒ钢激光冲击区的胞状位错和高缠结位错的ＴＥＭ照片。

在不少文献中已报道了激光冲击处理能在金属材料显微组织中产生高密度位错。

例如，７０５０铝合金经激光冲击处理后，冲击区表层的显微组织中位错密度显著提高【删；ＧＨ３０合金的激光冲击处理区表层显微组织中会出现大量塞积的位错环以及大量聚集的位错１６”；奥氏体不锈钢１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ激光冲击区，即发现了大量的位错，也观察了大量的孪晶【６“。

激光熔覆残余应力场的数值模拟

激光熔覆残余应力场的数值模拟

激光熔覆残余应力场的数值模拟随着工业技术的发展，激光熔覆成为一种重要的表面处理技术。

在激光熔覆过程中，由于材料迅速升温和迅速冷却，会导致残余应力的产生。

残余应力对材料的性能和稳定性有重要影响，因此研究和预测激光熔覆残余应力场的分布是至关重要的。

为了准确地模拟激光熔覆残余应力场，研究人员采用了数值模拟的方法。

数值模拟是一种基于计算机模型的方法，通过建立相应的数学模型和物理模型，运用数值计算的方法来分析和预测研究对象的行为和性能。

在激光熔覆残余应力场的数值模拟中，首先需要确定研究对象的材料性质、几何形状、熔覆参数等。

然后，利用有限元法进行数值计算。

有限元法是一种常用的数值计算方法，通过将整个计算区域划分为许多小的单元，然后利用力、应变、位移等物理量在单元内部的近似关系和全局连续性，得到整个计算区域的应力场分布。

这样就可以得到激光熔覆残余应力场的数值模拟结果。

激光熔覆残余应力场的数值模拟是一个复杂的过程。

首先，需要对激光熔覆过程进行数值建模。

通过建立热传导模型，考虑激光辐射传热、材料熔化和凝固等过程，可以得到熔覆区域的温度场分布。

然后，利用热应力理论，结合材料的热力学性质和力学性质，得到熔覆区域的应力场分布。

最后，考虑材料的变形和应力释放，可以得到残余应力场的分布。

激光熔覆残余应力场的数值模拟可以帮助研究人员深入了解熔覆过程中的温度场和应力场变化规律。

通过对不同工艺参数、材料性质等因素的数值分析，可以指导实际工艺的优化和改进。

此外，数值模拟还可以用于预测材料在使用过程中的残余应力和变形情况，为材料的设计和使用提供参考。

然而，激光熔覆残余应力场的数值模拟也存在一些挑战和限制。

首先，激光熔覆过程涉及到多个物理现象的耦合，涉及的物理量多且复杂，对模型的准确性和计算的稳定性提出了要求。

其次，材料的性质和参数往往存在不确定性，如热传导系数、热膨胀系数等。

这些不确定性会影响数值模拟结果的准确性和可靠性。

另外，数值模拟结果还受到模型假设和边界条件的影响，模型的选择和参数的设定也对结果有一定的影响。

材料表面形貌对激光冲击强化残余应力的影响

材料表面形貌对激光冲击强化残余应力的影响

材料表面形貌对激光冲击强化残余应力的影响王成;王龙;李雪斌【摘要】建立材料表面为凹面、凸面和平面的三种有限元模型,研究材料表面形貌对激光冲击强化Ti6Al4V钛合金残余应力的影响.当材料表面曲率半径大于光斑半径时,相对于材料表面为平面的工况,凹面表层产生的残余压应力偏大,并随着凹面曲率半径的减小而增大;凸面表层产生的残余压应力偏小,并随着凸面曲率半径的减小而减小.当材料表面曲率半径小于光斑半径时,凹面或凸面模型的激光冲击强化的残余压应力均不及于材料表面为平面的工况.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)011【总页数】6页(P1352-1357)【关键词】激光冲击强化;表面形貌;残余应力;数值模拟【作者】王成;王龙;李雪斌【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TG665;TN2491 引言相对于传统的表面处理技术（例如受控喷丸、深滚压和冷挤压等），激光冲击强化是一种新型、非接触式的金属表面强化技术，通过高能短脉冲的激光束诱导产生的超高压等离子体冲击波作用于工件材料表面，并向其表层及亚表层注入有益的残余压应力，从而有效提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗应力腐蚀性能［1］。

目前激光冲击强化技术被“国家中长期科学和技术发展规划纲要”列入先进制造技术中的三个重点领域之一，在制造科学、新材料和高能武器领域有广阔的应用前景。

近年来，关于激光冲击强化技术的研究成果颇多。

薛丁元［2］和李媛［3］等人通过实验研究发现激光冲击强化的残余压应力能够有效提高TC17钛合金材料的疲劳强度，抑制其疲劳裂纹的扩展。

Pant［4］等人也通过实验研究发现激光冲击强化比受控喷丸强化更能有效提高Ti6Al4V钛合金材料的疲劳寿命。

Keller等人［5］采用实验结合数值模拟研究了激光冲击强化AA2198铝合金的残余应力场。

激光冲击强化钢的残余应力数学建模分析

激光冲击强化钢的残余应力数学建模分析

激光冲击强化钢的残余应力数学建模分析
陈巧灵;李宁
【期刊名称】《兵器材料科学与工程》
【年(卷),期】2023(46)1
【摘要】为分析钢在激光冲击强化后的残余应力,以SAPH420结构钢为例,进行激光冲击强化处理。

用有限元和无限元结合构建钢残余应力的有限元模型,计算残余应力。

结果表明:激光冲击的光斑搭接率为75%时,压应力约为814 MPa,激光冲击时间为3 500 ns时,内能、塑性能及弹性能分别约为65、60、10 mJ,激光冲击强化后钢表面平均硬度为350HV0.2,屈服强度和抗拉强度分别超过587.3 MPa和594.4 MPa,疲劳性能提升,残余应力影响的最大深度为0.35 mm,有利于提升钢的使用寿命。

【总页数】6页(P122-127)
【作者】陈巧灵;李宁
【作者单位】郑州升达经贸管理学院基础部
【正文语种】中文
【中图分类】TG178;TP399
【相关文献】
1.斜激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析
2.激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析
3.典型孔结构激光冲击强化残余应力场特征及有限元分析
4.激光冲击
强化残余应力场的数值仿真分析5.TC4钛合金激光冲击强化与喷丸强化的残余应力模拟分析
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TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟胡正云;李满福;谢兰生【摘要】利用有限元软件建立了TB6钛合金激光喷丸以及机械喷丸的三维数值分析模型,研究了不同工艺参数对残余应力场的影响;对比了两种喷丸工艺所形成的应力波和各自的衰减规律;研究了两种喷丸工艺的复合强化工艺对残余应力场的影响.结果表明:激光喷丸形成的平面波造成较深的应力影响层,深度可达1.5mm;机械喷丸形成的球面波产生较大的残余应力,最大残余压应力可以达到屈服强度的1.1倍.塑性应变越大残余应力越大,塑性应变层与残余应力影响层深度相近;在两者复合强化工艺中,残余应力影响层深度与激光喷丸的相近,最大残余压应力可达屈服强度的1.2倍.%Two 3D finite element models for laser shock peening(LSP) and shot peening(SP) were established.To indicate the effects of the process parameters,and the composite processing,and the stress wave decay laws,the tests were carried out.The results show that the plane wave induced by LSP forms deeper stress affected layer with the depth reaching 1.5 mm ; the spherical waves induced by SP form a larger residual stress with the maximum reaching 1.1 times of the yield strength.The greater plastic strain causes the greater of residual stress,the depth of strain and the depth of residual stress affected layer were similar.In the composite process,the depth of residual stress affected layer was close to that of LSP,and the maximum residual stress reaches 1.2 times of the yield strength.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)004【总页数】6页(P37-42)【关键词】激光喷丸;机械喷丸;有限元模拟;应力波;残余应力场【作者】胡正云;李满福;谢兰生【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京210016;中国直升机设计研究院,江西景德镇333001;南京航空航天大学机电学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+3;V252.1激光喷丸，又称激光冲击强化(Laser Shock Peening，LSP)是一项新的表面处理技术。

激光冲击圆杆曲面诱导的残余应力数值模拟

Numerical simulation of residual stresses induced by laser shock on the circumference surface of round rod
Zhang Xingquan, Ji Kankan, Wang Huiting, Qi Xiaoli, Chen Bin, Tong Jinyu, Fang Guangwu
0706004-1
第7期
红外与激光工程
第48卷
shocking, an uneven residual stresses are distributed in central region of the impacted surface, and tensile residual stresses are formed at the center, where the value of residual stresses Sil reaches 42 MPa. While compressive residual stresses are formed in other impacted areas (radius from 0.5 mm to 1.5 mm), where the compressive residual stresses Sil are roughly 250MPa. During the propagation of the stress wave, the decay rate of its peak pressure decreases with the enlarging rod diameter, and the compressive residual stresses distributed on the cylindrical surface increase with the increasing rod diameter. Key words: dynamic response; finite element analysis; curved surface; residual stress

激光冲击强化诱导的残余应力影响因素分析

第37卷 第10期中 国 激 光Vo l.37,N o.102010年10月CHINESE JO URNAL OF LASERSOctober,2010文章编号:0258 7025(2010)10 2632 06激光冲击强化诱导的残余应力影响因素分析吴先前 黄晨光 宋宏伟(中国科学院力学研究所,北京100190)摘要 考虑激光冲击强化后塑性区深度及最大残余压应力的影响因素和影响规律问题,运用量纲分析的方法获得了影响冲击强化效果的主控因素,并给出了塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力、压力持续时间、光斑半径的关系;利用基于L S-DY NA 的二维轴对称有限元模型,计算了不同参数条件下金属靶体受冲击载荷作用的动态响应。

计算结果表明,塑性区深度与压力持续时间成正比;最大残余压应力与压力持续时间无关;一定光斑半径范围内,塑性区深度及最大残余压应力与光斑半径无关;峰值压力超过一定值时,塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力近似成线性关系。

关键词 激光技术;激光冲击强化;塑性区深度;残余压应力;量纲分析中图分类号 T N 249;T G156.99 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103710.2632Parameters Analysis of Residual Stre ss Inducedby Laser Shock Proce ssingWu Xianqian Huang Chenguang So ng Hongwei(In st itu te of M echan ics ,Chin ese Aca dem y of Sciences ,Beijin g 100190,Chin a )Abstract The paper focuses on the influencing pa rameters to the plastically affected depth and maximum residual stress in the metallic target a fter laser shock proc essing.Firstly,the dim ensional ana lysis m ethod is employed to find the controlling parameters,and the relationships of plastically affected depth,maximum residual stress versus peak pressure,pressure duration and laser spot size are given.Secondly,a two -dimensional axisymmetric finite element m odel based on LS -DYNA package is built,and the dynamic responses of metallic target subject to la ser shock processing are computed with different input parameters.The result shows that the plastica lly affected depth is proportional to pressure duration,and the maximum residual stress is independent with it,but both of them are not affec ted by laser spot size within a certain range,while they have approximate linear relationship with pea k pressure after reaching to a certain level.Key word s laser technique;laser shock processing;plastica lly affected depth;residual stress;dimensional analysis收稿日期:2010 01 13;收到修改稿日期:2010 03 02基金项目:国家自然科学基金(10972228)和中国科学院科研装备研制项目(YZ200930)资助课题。

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟


下 残余 应力 分 布情 况 的研 究 ， 利 用 数 值 模 拟 的方 法
研 究 复合强 化 工艺 的报道 则较 少 “ 。 本 工作 运 用 有 限 元 软 件 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ模 拟 Ｔ Ｂ ６钛 合 金激 光 喷丸 和机 械 喷丸 的过 程 ， 着 重 对 比了两 种
材 料 的保 护层 ， 使其 瞬 间形成 等离 子体 ， 随后 等离 子 体 迅速 膨胀 ， 产 生一个 向材料 内部 传播 的强 冲击 波 。 在 强 冲击 波 的作用 下 ， 使 得 材 料 表层 产 生残 余 压 应 力， 从 而提 高工 件 的疲劳 寿命 、 耐腐 蚀性 等 多种力 学 性能¨ 。与 传统 机 械 喷 丸 （ Ｓ ｈ ｏ ｔ Ｐ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ Ｐ） 相 比，
胡 正云 ， 李 满福 ， 谢 兰 生
（ １ ． 南 京 航 空 航 天 大 学 机 电学 院 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ； ２ ．中 国 直 升 机 设 计 研 究 院 ， 江西 景德镇 ３ ３ ３ ０ ０ １ ）
摘要 ： 利 用 有 限元 软件 建立 了 Ｔ Ｂ ６钛 合 金 激 光 喷 丸 以及 机 械 喷 丸 的 三维 数 值 分 析 模 型 ， 研 究 了不 同 工 艺 参 数 对 残 余应 力场的影响 ； 对 比 了 两种 喷 丸 工 艺 所 形 成 的 应 力 波 和 各 自的 衰 减 规 律 ； 研 究 了两 种 喷 丸 工 艺 的复 合 强 化 工 艺 对 残 余 应 力 场 的 影 响 。结 果 表 明 ： 激光 喷 丸 形 成 的 平 面 波 造 成 较 深 的应 力 影 响 层 ， 深度 可 达 １ ． ５ ｍｍ； 机 械 喷 丸 形 成 的球面波产生较大的残余应力 ， 最大残余压应力可 以达到屈 服强度 的 １ ． １ 倍 。塑性应 变越大残 余应力越 大 ， 塑 性

激光冲击残余应力场的有限元分析

P = 0101
不均 ,但是激光冲击对表层残余应力分布的影响是 改善不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的关键 , 并且 这样假设所得到的计算结果是偏安全的 。
2 计算结果与分析
2. 1 能量分析
α Z × I0 α+3 2
2
Z
( 3)
式中 : Z — 折合声阻抗 , Z1 , Z2 — 约束层和目标靶材 的声阻抗 。满足关系式 : 值 115 × 10 gcm
形的应力 )满足下述公式 : S σD σS y0 = ( 116 - 2142 lg y )σy
7
( 1)
6
材料在激光冲击波加载下应变率高达 10 ～ - 1 10 s ,此时材料的力学响应将明显不同于准静态 时的情况 。因此 ,在建立本构关系时必须考虑材料 的率相关性 。公式 ( 2 ) 为既包含应变强化效应又包 含率效应的混合强化本构关系 :
图 2 激光冲击有限元模型
( a ) 激光单面冲击厚靶有限元模型 ; ( b) 激光单面冲击薄靶有限元模型 ; ( c ) 激光双面冲击薄靶有限元模型 Fig . 2 FE model used for LSP ( a) one 2sided LSP model for thick parts; ( b ) one 2sided LSP model for thin parts; ( c) t wo 2sided LSP model for thin parts
体空间 )以及单 、 双面冲击薄靶 (认为是有限厚度空 间 )所形成的残余应力场 。冲击载荷及靶材形状具 有轴对称性 ,故选择轴对称单元 (有限单元 CAX4R 和无限单元 C I NAX4 ) 进行模拟计算 。 CAX4R 是一 种弹塑性 、 非线性单元 ,用来模拟激光冲击处理区及 其影响区的残余应力场分布 ; C I NAX4 是只具有弹 性材料行为的单元 , 作为其余材料的单元定义 。有 限元模型的几何尺寸如图 2。图 2a 中 , 有限单元网 格区域的长度 L、 厚度 D 的几何尺寸为 : L = 2 r0 = 2 × 3 = 6mm D =2r 3 = 6mm 0 =2 × 式中 : r0 — 激光光斑半径 。激光冲击区域长度 t的几 何尺寸 t = r0 = 3mm。 在图 2b 和 c中 L 和 t的定义与图 2a 相同 , D 为 目标靶材的厚度 。三种模型的网格结构列于表 1 (设薄靶厚度为 6mm ) 。
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1
激光冲击强化残余应力的有限元模拟
PACS.62.50.+p 高的压力和冲击波效应的固体和液体的-68.35.gy 机械性能；表 面应变。
1 引言和基本的激光喷丸
激光冲击强化是目前公认的一种有效的表面处理方式， 以改善金属表面的电 阻[1]，对疲劳磨损或腐蚀侵略[2]。近 30 年前开始巴特尔研究所对许多已被研 究的材料就有能力去加强，如铝，钢或钛合金，激光冲击现在已经达到产业的这 一步，因为多个应用程序已被证明。人们可以提出 LP 处理风扇叶片锋利的边缘 对飞行物体的损坏（FOD） ，在核电厂加强的热影响区域靠近焊接接头 [3] ， 还有许多迎面而来的应用程序的细节已经由 GE 公司投入 [4]。近来，来自美国 政府的特别拨款，以改善治疗的适用性，连同出现的新的高韵律激光源[5 ] ， 增加关于 LP 的研究。 基本过程现在清楚地表明[1,2]：高强度的几个 GW/cm2 激光脉冲赋予金属靶，蒸 发的第一颗原子弹等离子层（近 1 μ m 的/次） ，并创建一个等离子体。这高温 （高于 10 000 K ）和高压（GPA）等离子的金属，当在金属中扩展时，诱发可 塑化的金属表面并诱发压应力的冲击波。常见的配置，称为作为“密闭的烧蚀机 制”，使用：（1）一个保护涂层，以避免热效应，和（2）浸渍水层下面的照射 目标（> 1 毫米） ，以捕获等离子体，并与直接照射机制相比增加其压力（因 子 5 ）和持续时间（因子 2 ）（图 1） 。 在通常的配置，LP 赋予材料的残余应力，与受影响的深度可达 2 毫米，该值远 远大于那些通过常规射诱导喷丸或超声喷丸处理系统。 两年或三年以来，据报道有限元模拟，在 LP-诱导的残余应力领域，主要是 轴对称的条件下，钛铝合金，常规的[8 ]或非常小的（ <0.1 毫米）的影响[9]。 我们的工作遵循这些有限元方法，并使用实验确定的压力负荷，冲击材料的屈服 强度和残余压力测定，以证模型。单次冲击影响负荷和最多 3 个已提交给目标， 并与实验值对比。 在下文中，残余应力的测量无论是由 X-射线衍射得到的（XRD）方法，使用通常 的 2Θ = （ SIN2 Ψ ） ，或通过深入的增量钻孔法测定[10] 。
图 1 在水密闭的激光冲击强化基本方案
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激光冲击强化残余应力的有限元模拟
2 有限元模型和分析
商用有限元软件 ABAQUS [11 ]被用来计算激光冲击期间和之后的应力和变 形分布对金属的影响。 为了分析激光诱导的冲击波， 而他们在金属靶的传播，既考虑到水动力衰减的冲 击波，还有弹塑性材料的行为。因此，有几个参数必须加以考虑，例如：震荡屈 服强度的金属 HEL（ Hugoniot 弹性极限） ，雨贡纽曲线：压力 P （GPA）对粒 子的速度 U（米/秒） ，包括声阻抗 ρ D 其中 P = ρ DU （ ρ =密度和 D = soundvelocity 的=C0 + SU ） ，和一个机械包括一个应变关系如率相关 Johnson-Cook 本模型。状态方程（EOS）提供了一个水动力材料，其中的材料的 体积强度由 EOS 决定。在我们的例子中， EOS 的作为 D-U 线性（GR“ uneisen EOS ） 。可塑性模型，对应于偏部分的应力，第 2.3 节中。
������ ������������������ = (A + B������������������ )[1+CLn( )]× [1 − ( ������ 0
������
������ − ������0 ������������������������������ − ������0
)������ ]
激光冲击强化残余应力的有限元模拟
欧洲.物理.J.AP 23,83-88(2003)欧洲应用物理杂志 DOI: 10.1051/epjap:2003037
激光喷丸诱导的残余应力的有限元模拟
P. Peyre1,a, A. Sollier1, I. Chaieb2, L. Berthe1, E. Bartnicki1, C. Braham2, 和 R. Fabbro1
3
激光冲击强化残余应力的有限元模拟
图 2 轴对称目（ 4 毫米× 6 毫米= 40 × 40 =1600 元素）用于有限元模拟
2.2 计算步骤
有限元计算，2 步进行，两者均为进行了在 ABAQUS /明确的代码，这是专 门用于动态分析。在第一个步骤中，压力脉冲（参见 2.3 节）提交的目标，推动 震荡波和衰减深入。总步数之间的时间范围为 200 ns 和 500 ns 的（两倍以上的 压力脉冲持续时间） ， 从而使冲击波的行为完全弹性。 第二步骤计算的残余变形， 并应力场。 它的持续时间近 1 毫秒（以两个数量级不再比第 1 步时间前面已经提 到[8] ） ，以达到一个恒定的状态。这两个步骤需要约 1 小时的计算时间分析 1 激光冲击事件。随后，附加的激光冲击可以通过使用其他的计算步骤模拟（步 骤 320◦C。 作为对比，以前的调查张等。 [9]在非常小的影响，选择了构斯坦伯格模 型考虑压力的影响。在我们的情况下，不断的冲击在被发现后的屈服强度 HEL 根据 LP （见第 3.2） 在不同压力下， 使我们不考虑任何的震撼与依赖的 HEL 压力。
3 测定的动态载荷与冲击屈服强度与 VISAR 诊断
我们提出以下一些实验结果 VISAR 测速技术，使我们同时确定压力负荷和 Hugoniot 弹性在激光喷丸条件的限制。
3.1 压力随时间变化的载荷
加载条件作为输入值 ABAQUS 显式 VISAR （速度任何反射干涉仪）压力测 定为 2.5 ns ， 10 ns 和 25 ns 的脉冲持续时间。这种技术可以让我们通过测量 自由表面速度背后不同箔厚度（与使用在探头的激光束多普勒效应） ，图。 3。 有限元模拟衰减过程中的震荡幅度在 7075 铝合金的传播（ 3 GW/cm2-25 NS 影 响） 。准确地确定 P = F（ T）配置文件[6,10] 。因此，真实的实验 P = F（T） 配置文件已被使用在代码中输入负荷。在 2.5 ns 的脉冲的情况下，8 GPA 的最
5
激光冲击强化残余应力的有限元模拟
大压力可产生 （ 20 GW/cm2 ）， 只有 5 GPA 为 10-25 ns 的脉冲 （ 8-10 GW/cm2 ）。 半宽的压力脉冲持续时间：6-7 NS 为 2-3 ns 的脉冲， 20-25 纳秒为 10 ns 的脉 冲（图 3） ， 20-25 纳秒激光脉冲的 45-50 纳秒。这些驱动负载条件不同的受影 响深度：小的情况下，短的影响（ 3 纳秒） ，由于一种快速弹性塑料衰减冲击 波的深入，20-25 ns 的脉冲持续时间。一个例子震荡深入的波的衰减是在图 3 中所示，对于一个 3 GW/cm2-25 ns 的影响上的 7075 铝合金。
在 7075 铝合金，弹性前驱体实验近 1.05 帕（图 5） ，这表明了动态屈服 强度 600 兆帕。对于这两种材料，高应变率在 LSP 激起了 30-40 ％的增长修改 HEL 值的屈服强度。因此，约翰逊 - 库克模型值也有被修改（见表 1 ：C 系数= 0.14 ） ，以重现真正的塑性流动限制在 106 S-1 。
激光冲击强化大多采用圆形的影响，交付 YAG 激光棒。当进行材料产生的激 光的影响已被证明挑起中心应力降（忘记了自己等人[14]） ，由于收敛处产生 的扩增表面 Rayleigh 波边缘的影响。 这种现象，这是不是真的为工业的关键始终执行的应用，因为 LP 大量的影响和 重叠，可以再现方便地与一个轴对称的计算，如图 图 6 为一个 8 GW/cm-2-25 ns 的影响在 12 铬钢。径向（ σ 11 ）和周向残余应 力（ σ 33 ）被认为是几乎等效的，而 σ 22 （沿激波传播）是弱的。中央残留 应力水平为接近 0 MPa 时，而在 r / 2 ， -300 兆帕的级别显示。 3 影响 LP 治 疗，该协议实验测定之间（通过 X-射线衍射）和计算值是相当不错的，即使有 限元模拟低估的残余应力水平近-100 兆帕。这种差别可能来自初始残余应力水 平，或收率的变形与第 2 次的影响，还没有计算在我们的模型中（通常可以忽略 不计的一阶<+10 ％最大硬化） 。 实验和模拟的深入应力（图 7 ）表现出相同的演变，但再次的 模拟低估了应力幅值，尤其是在第一个 200 微米（ -600 -700 兆帕的经验，-400 至-500 兆帕的仿真） 。这种差异的部分内容可能是由于实验应力测定（增量式钻 孔法） ， X 射线衍射测量表明-600 MPa 最大水平。最后，对模拟应力拉伸下方震
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激光冲击强化残余应力的有限元模拟
图 6 诱导对 12 Cr 钢的残余应力的仿真 8 GW/cm2-25 NS - 6 毫米的圆形 影响（5 GPA） 。证据的应力的影响的中心孔。对照 3 影响治疗后的 X 射线衍射测量。
4 有限元模拟
4.1 有 12 铬钢激光冲击强化单/多影响和不同的脉冲持续时间
接收于：2002/18 通过 2003/04/08 发表于：2003/06/12
摘要：激光冲击强化的益处已被证实的领域，如疲劳，穿几次或应力腐蚀 开裂。然而，尽管在残余应力计算上的最近的工作中，有相当一部分编者已经 考虑了用有限元法（FEM）的方法来预测激光诱导机械的效果。这主要来源于在 激光冲击的高应变率（ 第 106 章-1） ，有必要进行动态性能的精确测定，也 可以从可能的组合的热和在低压没有保护涂层的情况下的机械载荷。在本文中， 我们的目标是提出一个全球性问题的方法，从负载条件和动态屈服的决心在含 12％Cr 马氏体不锈钢诱导的优势， 完成与残余应力场的有限元计算钢和 7075 铝 合金。
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激光冲击强化残余应力的有限元模拟
2.3 物料
P. Peyre 等：有限元模拟残余应力引起的激光冲击强化 85 表 1 中物理和机械的材料特性的金属
12％ Cr 不锈钢是一种工业用的材料，这是其良好的耐腐蚀性，主要用于 涡轮叶片和在高温下的耐疲劳性。 7075 是一个非常广泛使用的铝合金航空应用， 由于其高的机械阻力。他们的物理和机械的性质归纳在表 1 中，连同与纯的铝， 作为保护涂层。要重现的在高的应力 - 应变的依赖性应变速率具有各向同性， Johnson-Cook 塑性法硬化使用， 考虑到的应变速率依赖之间的应力 ε 0 = 10.2 。 1（准静态负载）和 ε eq = 106 中一（激光冲击情况下） 。 因此， σ eq 被表示为：