激光诱导应力波的数值模拟毕业设计.docx

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激光诱导应力波的数值模拟毕业设计

安徽工业大学

毕业设计（论文）任务书

课题名称

激光冲击对小孔疲劳寿命的影响

学院

机械工程学院

专业班级

姓名

追风少年

学号

毕业设计（论文）的主要内容:

1、根据课题进行调研、收集国内外文献资料，其中外文资料至少3篇以上，书写开题报告。

2、利用ABAQUS有限元分析软件建立一个10×10mm的正方形模型，并对模型赋予材料属性。

3、再利用ABAQUS有限元分析软件对建立的模型进行激光冲击，设置好波型和峰值压力。

4、再利用ABAQUS有限元分析软件对所建的模型进行动态分析，根据结果得出X-Y表。

5、再利用ABAQUS有限元分析软件对所建的模型进行残余应力分析，根据结果得出X-Y表。

6、课题折合0号图1张图纸；除至少有1张手工绘图外，其余图纸皆为CAD绘图。

7、设计说明书需打印输出，并遵守相应规范，参考文献中除设计手册和工具书外，至少含有5篇以上中文论文文献和3篇以上外文文献。

8、英文翻译5000单词以上论文一篇，300字中英文摘要。

指导教师签字：

摘要

激光冲击已经多次被证实在诸多领域都有许多应用和巨大的益处，例如增强金属表面的属性，改变材料表面的疲劳寿命，穿孔等等。

激光冲击诱导的应力波是材料改性的能量源。

激光诱导产生的冲击波是由等离子体所产生的。

等离子体以一定的形式向外膨胀，由于等离子体和后续激光的作用的结果使得等离子体逆着激光发展方向,可以称这种以一定速度离开靶面向着激光器方向运动的等离子体为激光支持的吸收波。

本论文是通过对激光参数、金属模板（本文中金属模板材料取定为纯铝）的取定，利用ABAQUS有限元分析软件来模拟制定参数冲击在金属模板上产生的冲击波的波型、强度随时间频率变化的关系等来对激光诱导产生的冲击波进行数值上的模拟。

在激光冲击结束后，再利用ABAQUS对材料内部的残余应力场分布进行模拟。

由得到的云图和X-Y表格可以看出，500ns后的激光冲击波在材料内部的传播逐渐趋于稳定。

最后形成的残余应力场显示材料表面的残余应力并不是最大的，沿着激光冲击方向的残余应力先增大至最大值再逐渐衰减直至稳定。

关键词：

激光冲击；冲击波；数值模拟；残余应力场

Abstract

ManyapplicationsandenormousbenefitsfromlaserPeeninghavebeendemonstratedinalotoffieldslikeenhancethepropertiesofthemetalsurface，changingthesurfacefatiguelife，Perforationandsoon.Stresswaveinducedbylaserpeeningismaterialmodificationoftheenergysource.Shockwaveinducedbylaserisgeneratedbyplasma.Theplasmaexpandsoutwardinacertainform,astheroleoftheplasmaandthesubsequentresultsofthelasermakeslaserplasmaagainstthedirectionofdevelopment,wecannamethisacertainspeedtoleavethetargetfacingthedirectionofmotionoftheplasmalasersupportedabsorptionwavelengthofthelaser.

Thisthesisscheduletotakethelaserparametersandmetaltemplates（Takethemetaltemplatematerialhereinasaluminum.）,usingABAQUSfiniteelementanalysissoftwaretosimulatetheimpactofformulationparametersontheshockwavegeneratedonthemetaltemplatewavetype,therelationshipofthefrequencyandintensitychangeswithtimetothelaser-inducedshockwavefornumericalsimulations.Afterthelasershock,useABAQUStosimulatetheresidualstressfieldinthematerial.

FromtheresultingimageryandX-Ytablecanbeseen,Lasershockwavepropagationinthematerialgraduallystabilizedafter500ns.Finallytheresidualstressfielddisplayresidualstressisnotthelargestonthesurface.Alongthedirectionoflasershockresidualstressfirstincreasestoamaximumandthengraduallydecreasesuntilstable.

KEYWORDS:

LaserPeening，Shockwave，NumericalSimulation，Residualstressfield

第一章绪论

激光冲击，就是利用高功率密度、短脉冲激光束辐射金属表面。

由于激光束与材料相互作用，产生强应力波。

当应力波峰压大于材料的动态屈服强度时，金属材料的性能将会发生改变。

激光冲击能够改善金属材料的强度，耐磨性和耐腐蚀性等等，特别是能有效地提高金属材料的疲劳寿命。

激光冲击还可以应用于核聚变研究、激光武器研究、材料的改性研究、冲击相变研究以及提高疏松材料密度等等[1]。

由此可见，激光冲击具有十分广泛的应用前景。

激光冲击诱导的应力波是改变材料性质的能量源。

因此对应力波的动态测量十分重要，它不仅为预选激光冲击参数提供依据，而且给激光冲击技术的无损评价创造条件。

激光冲击诱导应力波的原理：

激光和金属表面进行相互作用，一部分激光被反射，一部分激光透入金属。

激光冲击以后，金属表面温度从室温陡升至气化温度，气化速度超过声速[2]。

从而进一步诱发向金属内传播的冲击波。

由于约束层的作用，金属蒸汽被限制在金属表面，金属气体继续吸收激光辐射能量，发生爆炸，体积急剧膨胀，甚至产生由激光能量支持的等离子体，形成向金属内部传播的应力波。

1.1激光技术的背景和发展

1.1.1激光技术的背景

激光是20世纪人类的重大科技发明之一，它对人类的生活产生了广泛而深刻的影响。

激光的发展史应该追溯到1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射的概念，预见到受激辐射光放大器诞生，也就是激光产生的可能性。

20世纪50年代美国科学家TOWNES以及前苏联科学家PROKHOROV等人分别发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器（Microwaveamplificationbystimulatedemissionofradiation），并以英文的第一字母缩写为Maser。

1958年美国科学家TOWNES和SCHAWLOW提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器（Lightamplificationstimulatedemissionofradiation,缩写为Laser）。

1960年7月美国的MAIMAN宣布制成第一台红宝石激光器（RubyLaser）。

1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，在1961年11期《科学通报》上发表了相关论文，称其为“光学量子放大器”。

其后在我国科学家钱学森的建议，统一翻译成激光或者激光器[3]。

图1.1简单介绍了激光从发现到现在的发展历程。

由一开始的红宝石激光器到现在的飞秒激光器等等先进的激光器[3]。

1.1.2激光的应用

这期间激光的理论与应用研究有了极大的发展，它作为高科技的研究成果，不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生产和生活的诸多反面都得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。

激光技术在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术的各个方面。

激光是光的受激辐射，因而它是一种极好的光源，它首先在测量领域得到了广泛的应用。

激光用来测、测距、测速、侧角、测量各种可以转换光的物理量，发展出一门新的专门的学科-激光测量学，还使得光学测量方法走出实验室成为工程测量的常规手段。

激光用于加工，始于激光打孔，很快就推广到切割、焊接、热处理、表面改性与强化，乃至激光快速成型、激光清洗和激光微加工，已经成为了高科技产业不可缺少的加工方法。

激光医学近30年来的发展和推广，给人类带来了福祉。

而激光在信息产业中的大量应用更是信息时代到来的主要原动力之一。

可以毫不夸张的说，现代社会的方方面面已经与激光的应用密不可分[4]。

随着科学技术的发展，对机械零部件的要求也越来越高，其使用环境也变得越来越苛刻，许多机械结构必须在高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件下使用。

图1.1（如下）就介绍了激光在制造先进发动机的过程中的应用，它基本上涉及到了整个生产过程。

图1.1激光冲击在工业生产中的应用[4]

由于零部件在使用过程中难免会出现各种裂纹和缺陷，应力集中区也随之产生，从而导致零部件的破损和失效。

而激光冲击处理技术是继激光热处理、激光非晶化及激光毛化等处理技术之后，国际上近年来迅速发展起来的一种新型材料表面改性技术。

激光冲击处理能够使零件表层材料的亚结构得到改善并产生有益残余压应力，增强硬度和强度，增加抗应力腐蚀能力，延长零件的疲劳寿命。

1.1.3激光冲击处理的机理

激光冲击处理（LSP：

LaserShockProcessing）是一种新型的表面强化技术，其基本原理如图1．2所示。

为了提高材料对激光能量的吸收和保护材料表面不受激光热损伤，在激光冲击前，一般在工件的待冲击区域涂上一层不透明的材料，称之为吸收层，然后再覆盖一层透明的材料，称之为约束层[5]。

当短脉冲（几十纳秒）、高功率密度（>109的强激光透过透明约束层，作用于覆盖材料表面的能量吸收层时，能量吸收层充分吸收激光能量，在极短时间内汽化电离形成高温（>10000K）、高压（>1GPa）的等离子体，该等离子体迅速膨胀向外喷射。

由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施与靶面一个冲击加载，产生向金属内部传播的强冲击波。

由于这种冲击波压力高达几千兆帕，远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面产生塑性应变，出现孪晶等晶体缺陷，形成极其细小的位错亚结构，并使材料表层形成很大的残余压应力，从而大幅度提高材料的强度、硬度和疲劳性能[6]。

在此过程中，由于能量吸收层的“牺牲"作用，加之激光冲击的时间极短，保护了工件表面不受激光热损伤，故热学效应可以忽略不计，因此将激光冲击强化工艺归为冷加工工艺，约束层的存在大大提高了激光冲击波的压力幅值和作用时间。

图1.2激光冲击强化的示意图

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