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硕士论文开题报告

西安理工大学

硕士研究生学位论文开题报告

题目：

钛合金叶片激光冲击强化过程建模

与残余应力仿真研究

学科机械制造及其自动化

学号0908020195

姓名张迪

导师李鹏阳副教授

郑建明教授

日期2010年11月25日

西安理工大学研究生学院

2010年11月

填写说明

1．研究生应根据开题报告各栏目的具体要求，认真撰写开题报告。

2．开题报告一式三份，学院、学科、导师各一份。

1.研究背景与意义

制在航空发动机的研制过程中，科研人员最深刻的体会是：

发动机叶片的断裂故障显著地影响着发动机的性能指标周期。

因为叶片作为航空发动机的关键部件，在飞机飞行过程中除了承受离心载荷、弯扭载荷还要受到高温气流引起的热冲击、腐蚀、接触挤压、微动磨损等的作用，航空发动机叶片容易受到多方面因素的影响而发生疲劳断裂失效，相关分析[1]表明叶片振动过程中引起的高循环疲劳失效是造成航空发动机压气机叶片断裂实效的主要原因，针对航空发动机的高周疲劳断裂，亟待解决的问题就是寻求一种能够提高叶片强度，延长叶片寿命的方法，美国成功的运用激光冲击强化技术对发动机进行表面改性，提高其结构抗力，并将其列为四代战机发动机80项关键技术之一。

激光冲击强化（LaserShockPeening，简称LSP）是新兴的表面冷处理技术，利用高功率密度（109w/cm2）短脉冲（ns级）激光束对有约束层和吸收层的工件表面进行辐照，吸收层吸收激光能量后发生爆炸蒸发气化，在约束层的作用下产生高压的等离子体冲击波，冲击波对工件表面进行高压冲击强化，在冲击区域表面形成稳定的残余压应力场，起到提高工件抗疲劳强度、耐磨性和防腐蚀性能的冷表面处理工艺。

对工件进行表面冲击强化是对传统工件表面处理工艺的一种创新。

1960年第一台用高功率密度激光产生高压冲击波的设备是在美国俄亥俄州哥伦比亚大学巴特尔室研制成功的，并在同一实验室里研究者成功的将该技术运用到提高航空零部件的疲劳强度上。

实验成功后，科学家们对激光冲击强化提高工件的基本原理进行了深入研究，分析不同冲击模型、约束层、吸收层等对激光冲击强化效果的影响。

正是由于科学家所取得的巨大研究成果，激光冲击强化技术已经取代甚至超越了传统的喷丸、滚压等工件表面强化技术。

与传统的工件表面强化技术相比，激光冲击强化技术具有以下优点：

（1）通过高功率密度激光对工件表面进行强化可获得比普通强化技术高出将近十倍的表面残余压应力，残余压应力层的深度是普通工艺的两到三倍。

（2）激光冲击强化是一种新兴的技术，对工件表面进行强化过程中无需与工件接触，因此可以通过调整激光设备参数实现对复杂形状不同材料的零部件进行表面强化。

（3）激光冲击强化对环境的适应性强，不会对工件造成腐蚀损伤，相比传统工艺能够获得良好的表面形貌。

与其他表面强化技术相比，激光冲击强化具有普通表面强化工艺无法比拟的优越性，该技术最大的优点是适用于错综复杂的条件以及强化过程与工件的非物理接触。

最大的缺点就是该技术的成本高，然而随着激光冲击强化技术的不断成熟和设备的不断改进，激光冲击强化工艺的成本将会下降到能够在工业领域普遍应用，该技术成本高的一个重要原因是为了得到优化的冲击强化参数而花费大量人力和时间来做众多复杂的实验。

对叶片的激光冲击强化过程进行仿真能够减少昂贵的实验开资节约成本，还能得到叶片激光冲击强化优化的冲击参数和冲击方式。

由于叶片激光冲击强化过程的复杂性，如何建立精确可靠的叶片激光冲击强化仿真模型是目前面临的重大困难。

Braisted和Brockman于1999年建立第一个激光冲击强化的仿真模型[2]。

过去五年里，一些研究者采用一维模型和三维轴对称简单模型进行了激光冲击强化的有限元仿真，Arif[3]提出了激光冲击强化后残余应力仿真算法，该算法通过有限差分法对应力波进行加载和有限元法相结合的方法来预测冲击强化后的变形和应力大小。

Yang[4]等人采用数值仿真算法研究了不同几何实体激光冲击强化后残余应力的分布情况。

Warren[5]等人通过搭建实验台研究了激光功率密度、光板大小、冲击间隔等参数对残余应力场的影响。

Singh[6]等人通过对激光冲击强化过程进行仿真模拟，研究表明合适的激光光斑形状能够有效地减少冲击强化后材料内部的残余拉应力。

由于对激光冲击强化进行精确的模拟仿真所需要的参数没有明确的给出，所以仿真结果和实验结果之间存在差异，其中关键的参数有激光功率密度转换为冲击波的爆轰波压力模型、光斑尺寸以及材料动态响应模型。

激光冲击强化过程中材料的应变率达到106s-1，在如此高应变率下材料的力学性能完全不同于准静态[7]。

由于实验条件的限制，部分材料高应变率下动力学参数没有测得，只能通过实验测得材料低应变率下的动力学性能参数，然后通过曲线拟合得到的材料动态响应模型来预测激光冲击强化后残余应力的分布情况。

美国MIC公司通过建立齿轮模型，仿真模拟齿轮经激光冲击强化后残余应力场的分布情况，通过实验对比分析仿真结果与实验结果，齿轮激光冲击强化后能够有效地提高其抗疲劳磨损能力[8]。

本文进行航空发动机叶片的激光冲击强化仿真与实验研究，为了减少叶片建模过程中引起的误差，采用逆向技术对激光扫面的点云数据通过Imageware、Geomagic等反求软件建立其有限元实体模型。

通过查阅相关文献和实验研究分析了叶片激光冲击强化仿真建模过程关键问题，建立了叶片激光冲击强化的有限元模型，进行叶片激光冲击强化控制参数的正交实验方案搭建，优化获得理想残余应力场的最佳冲击参数。

并通过该参数进行不同搭接率、单双面冲击等不同冲击工艺的仿真研究，并进行叶片激光冲击强化的实验研究，通过实验得到的残余应力场与仿真结果进行对比分析，对仿真模型进行修改，最后使得仿真结果与实验结果能够取得很好的一致。

2.国内外研究进展

早在20世纪60年代，随着高功率密度激光能够产生高压冲击波的能力被发现后[9]，许多学者们开始了激光在许多领域的研究，包括改变材料的性能[10]，用激光进行金属薄板的切割成形[11]以及爆炸方面[12]的研究等。

Malozzi和Fairland采用激光冲击强化技术来改善材料的力学性能，取得了专利[13]。

由于高的爆轰波压力能够获得高的冲击波，Anderhlom[14]首次采用约束层的方法建立了获得高压爆轰波的模型。

Fairand和Clauer[15,16]致力于激光冲击强化的过程以及材料对冲击波的动态响应的研究，研究采用不同材料的吸收层对爆轰波峰压力的影响，并成功将该技术应用到紧固件接口处疲劳强度的提高方面。

Fairand和Clauer还系统的研究分析了对激光冲击强化影响的重要参数。

前人所取得的成果成功的是使该技术应用到工业领域，实现了汽轮机叶片抵抗FOD的强化[17]。

Fox[18]通过实验分析了涂层对工件表面的影响。

Ford[19]等人的研究成果表明通过特定的激光冲击强化参数和冲击方式能够有效的减少工件裂纹的增长，延长其使用寿命。

Ortiz和Penny[20]研发了激光冲击强化系统，该系统能够实现工件激光冲击强化区域的准确定位，提高了激光冲击强化的效率，因此也获得了专利奖。

Forget[21]等人从光学角度分析了激光冲击强化的过程，分析了材料激光冲击强化下的变形机理，提出了预测残余应力场的分析模型。

20世纪90年代，国内研究者开始了激光冲击强化的理论和实验研究，1992年南京航空航天大学对航空铝合金2024T63的激光冲击强化实验研究，研究成果进一步验证了激光冲击能够有效提高材料的疲劳寿命[22]。

空军工程大学于2003年开始激光冲击强化机理和相关实验的研究，成功搭建了用于航空发动机叶片强化的YAG激光实验装置，致力于研究激光冲击参数对叶片疲劳、耐腐蚀等强度的影响[23,24,25,26]。

北京航天工艺研究所和航空材料研究所在对激光冲击强化机理研究的基础上，对飞机上使用的LY12铝合金铆接件接口进行激光冲击强化实验，并通过加载飞机实际运行中所承受的载荷进行疲劳实验，通过对比分析强化与非强化铆接件的疲劳数据表明激光冲击强化方法可提高铆接件疲劳寿命的80%[27]。

激光冲击强化技术能够改善材料的力学性能得到充分论证后，科学家开始了该技术的实际应用分析阶段[28]，也同样面临着许多的困难。

第一个挑战就是研发一台激光冲击强化装置能够以较高的频率提供高压、可控的脉冲压力。

第二个挑战就是建立激光冲击强化过程深入完善的理论体系和能够有效预测残余应力场的数值解析方法。

第三个挑战就是准确量化记录激光冲击强化对工件强度的提高。

克服以上困难后，就可以指定工件激光冲击强化的最优工艺，减少工业成本。

Clauer等人[29]和Sano等人[30]通过实验对比分析约束模型和非约束模型脉冲压力，实验表明采用约束模型的冲击波压力峰值为非约束模型的5倍，脉冲压力持续时间是非约束模型的3倍。

Love[31]运用经典理论分析了弹性变形体内冲击波的传播过程。

Kolsky[32]运用冲击波理论解释了材料内塑性波的传播过程。

应变率低于103/s的材料动力学数据可通过查阅文献[33,34]，激光冲击强化过程材料的应变率高达106/s，因此需要进一步分析研究高应变率下材料的动力学性能。

工件进行激光冲击强化的目的是为了提高其抗疲劳，耐磨损等性能。

为了能精确评价激光参数对工件性能的影响，需要从两个阶段来实现，第一个阶段是建立激光冲击参数和残余应力场之间的对应关系，第二个阶段是工件的性能与残余应力场的对应关系。

完成以上两个阶段的工作即克服了第三个挑战。

激光冲击强化是在瞬态完成的，通过有限元方法能够仿真激光冲击强化的过程，Braisted和Brockman[35]利用ABAQUS软件仿真分析了二维模型下单面和双面激光冲击强化对残余应力的影响。

Ding[36]和Ye[37]建立了激光冲击强化的简单的三维实体模型，分析了单脉冲单次冲击强化的残余应力场。

Peyre[38,39]等人提出了材料的HEL极限来评价激光冲击强化中材料的动态响应，采用各向同性的Johnson-Cook硬化模型建立激光冲击强化的仿真模型，仿真分析了冲击波峰压、脉冲宽度、光板尺寸等因素对残余应力的影响。

目前大多数的激光冲击强化数值模拟研究仅局限于规则形状的简单几何形体模型，且涉及的激光控制参数较少，仿真得到残余应力场还不够，还需要建立算法模型来评价残余应力对工件的综合性能的影响程度，这一算法能够建立激光冲击参数和工件疲劳性能的对应关系，最终得到对任意工件疲劳性能改善的最优工艺参数。

3.主要研究内容

本课题以TC4叶片为研究对象，采用理论与实验相结合的方法展开研究，主要研究内容如下：

（1）激光强化基本原理分析究研

激光强化基本原理分析，激光诱导等离子体爆轰波压力计算模型和钛合金叶片在冲击下的动态响应本构关系的研究，以及相关有限元理论、动力学算法问题的分析，为后续激光冲击强化模型的建立做铺垫。

（2）叶片模态分析

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以及激光冲击强化仿真分析中全局阻尼参数。

（3）叶片激光冲击强化模型的建立

通过激光扫描和反求工程软件建立叶片的三维模型，激光冲击强化过程属于冲击动力学范畴，比较分析有限元算法，采用适用于求解冲击动力学问题的LS_DYNA显式算法，在对激光冲击强化基本原理和数值仿真关键问题研究的基础上，建立叶片激光冲击强化的仿真模型。

（4）参数选择对激光冲击强化作用的影响

基于正交优化思想，对激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉宽和激光冲击次数等激光冲击参数进行分析。

分别从动态应力波的传播特性，以及稳态残余应力场的分布特性两个方面对冲击结果进行分析。

给出叶片激光冲击强化的最佳冲击参数组合。

（5）冲击残余应力场仿真分析与实验对比分析

通过上述优化的工艺参数进行叶片激光冲击强化的实验研究。

采用X射线衍射法进一步测量叶片的残余应力分布情况，为数值仿真分析提供实验验证。

4.研究方案和技术路线

本论文的研究方案为：

（1）利用三维激光扫描设备对TC4叶片进行扫描，从而获得点云数据，先在反求软件Geomagic中进行初步的处理，然后再在Imageware软件中进一步处理，进而获得三维模型。

（2）将所建立的叶片三维模型导入到ANSYS中，进行模态分析，求出叶片前n阶固有频率和振型，确定叶片危险区域及强化建模过程中全局阻尼参数。

（3）采用非线性动力分析软件LS_DYNA，在充分研究激光冲击强化机理和叶片准确模型的基础上建立TC4叶片激光冲击强化仿真模型。

模拟研究激光冲击参数对激光冲击残余应力场的影响。

（4）使用X射线衍射法进一步测量处理TC4叶片的残余应力分布情况，通过所测的数据，对比分析激光冲击残余应力场的模拟结果与实验结果，与数值仿真结果进行验证。

5.课题的主要难点及拟采取解决方案

（1）冲击压力加载。

在激光冲击处理的建模中，冲击波的加载难点是载荷的大小及其加载方式，而冲击波载荷的大小、加载方式以及加载时间是影响数值模拟精度的关键。

由于激光冲击加载本身的特殊性，即作用时间极短（102ns左右）、压力极大（几个GPa），激光诱导产生冲击波的机理比较复杂，用软件来模拟冲击波产生和传播还比较困难。

目前对于冲击波的加载是假设一个冲击压力时程曲线作为己知条件加载到模型上。

至于冲击压力时程曲线的确定，只能依据现有有关压力时间关系的研究报道，一般认为冲击波压力时程曲线为近高斯形的曲线，冲击波的作用时间为激光脉冲宽的3倍左右。

在这里我们可以将冲击压力时程曲线简化为三角形或梯形。

在模拟的过程中，可以先根据激光冲击参数估算一个冲击压力时程曲线进行模拟，然后将模拟结果和实验结果进行对照，可以不断地对冲击波的压力时程关系进行修正。

（2）材料动态响应本构模型。

激光冲击处理实质是GPa级的应力在纳秒的持续时间中对材料的影响。

此时靶材的的应变率高于106s-1，这种冲击波与材料的相互作用涉及冲击动力学问题。

在宏观上，材料模型可以粗略的划分为弹性体、弹塑性体和流体这三种状态。

根据冲击强化过程的研究，等离子体诱导爆轰波压力一般为几个GPa，属于中等冲击载荷，所以选用弹塑性模型进行分析。

（3）求解控制。

主要动态振荡阻尼的设置，全局阻尼是用来阻止冲击造成的模型非真实振荡，对于模拟结果的影响很大。

依据LS_DYNA理论手册，最佳的阻尼值应取模型第一阶固有频率的两倍，模型的第一固有频率可以在ANSYS隐式程序中进行模型模态分析得到。

所以，本文中在模拟激光冲击残余应力场之前先应用ANSYS隐式程序对模型进行模态分析，得出模型的第一阶固有频率，求出模型得全局阻尼值。

6.预期研究成果

从激光冲击波诱导残余应力场的机理出发，分析研究了激光冲击参数和冲击方式对TC4叶片强化后残余应力场的影响和作用规律，并通过正交的优化思想得到叶片强化最优的工艺参数组合，进而对叶片材料的抗疲劳设计提供理论指导和技术支撑。

7.参考文献

【1】胡雅骥，陈彦初，陈冬等．激光冲击强化技术在航空发动机叶片上的应用研究[J]．燃气涡轮试验与研究，2009，22（3）：

54–56．

【2】BraistedW,BrockmanR.Finiteelementsimulationoflasershockpeening[J].InternationalJournalofFatigue,1999,21（7）:

719–724.

【3】ArifAF.Numericalpredictionofplasticdeformationandresidualstressesinducedbylasershockprocessing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,136（1–3）:

120–138.

【4】YangC,HodgsonPD,LiuQ,YeL.Geometriceffectsonresidualstressesin7075-T7451aluminumalloyrodssubjecttolasershockpeening[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2008.201（1–3）:

303–309.

【5】WarrenAW,GuoYB,ChenSC.Massiveparallellasershockpeening:

sim-ulation,analysisandvalidation[J].InternationalJournalofFatigue,2008.30

（1）:

188–197.

【6】SinghG,GrandhiRV,StargelDS.Modelingandparameterdesignofalasershockpeeningprocess[J].InternationalJournalofComputationalMethodsinEngineeringScienceandMechanics,2010.5（8）:

54–58.

【7】MeyersMA.DynamicBehaviorofMaterials[J].JohnWiley,Sons,1994.

【8】SerenaM,JackR,LioydH.SimulationofresidualstressandplasticdeformationusingDANTE[R].AIAA-1-15,2005.

【9】WhiteRM.ElasticWaveGenerationbyElectronBombardmentorElectromagneticWaveAbsorption[J].JournalofAppliedPhysics,1963.34:

2123–2124.

【10】NeumanF.MomentumTransferandCrateringEffectsProducedbyGiantLaserPulses[J].AppliedPhysicsLetters,1964,4（9）:

167–169.

【11】MetzSA,SmithFA.ProductionofVacanciesbyLaserBombardment[J].AppliedPhysicsLetters,1971,19（6）:

207–208.

【12】YangLC,MenichelliVJ.DetonationofInsensitiveHighExplosivesbyaQ-SwitchedRubyLaser[J].AppliedPhysicsLetters1971,19（11）:

473–475.

【13】MalozziP,FairlandBP.AlteringMaterialProperties:

US,3,850,698[P].1974.

【14】AnderhlomNC.Laser-generatedStressWaves[J].AppliedPhysicsLetters,1970.2,16

（1）:

113–114.

【15】FairandBP,ClauerAH.LaserGeneratedStressWaves:

TheirCharacteristicsandTheirEffectstoMaterials[J].Laser-SolidInteractionsandLaserProcessing1979,50

（1）:

27–42.

【16】FairandBP,ClauerAH.LaserGenerationofHigh-amplitudeStressWavesinMaterials.JournalofAppliedPhysics1978,50（3）:

1497–1502.

【17】BrarNS,HopkinsA,LaberMW.LaserShockPeeningofTitanium6-4Alloy[C].Gaithersburg:

AmaricanIntituteofPhysicsConferenceProceeding,2000,505:

435–438.

【18】FoxJA.EffectofCoatingonLaser-irradiatedTargets[J].AppliedPhysicsLetters,1974,24:

461–464.

【19】FordSC,FairandBP.,ClauerAH,GalliherRD.InvestigationofLaserShockProcessing[D].Ohio:

Wright-PattersonAirforceBase,1976.

【20】OrtizAL,PennyCM,JonesMG,EriksonCE.LaserPeeningSystemandMethod.US:

4,937,421[P].1990.

【21】ForgetP,StrudeJ,JeandinM,LuJ,CastexL.LaserShockSurfaceTreatmentofNi-basedSuperalloys[J].MaterialsandManufacturingProcesses,Vol.5（4）,1990,5（4）:

501–528.

【22】余承业，张永康，唐亚新，等．航空结构康疲劳断裂的激光冲击强化技术[R]．获航空工业部科技成果进步三等奖，1996．

【23】马壮，李应红，张永康，等．涂层对304不锈钢激光冲击处理性能的影响[J]．材料热处理学报，2007，6（3）：

102–104．

【24】马壮，李应红，任旭东，等．航空铝合金等激光冲击强化工艺[J]．机械工程材料，2007，（8）:

32–34．

【25】马壮，李应红．航空发动机叶片激光冲击强化机制研究[J]．航空维修与工程，2007，（4）：

58–59．

【26】马壮，李应红，汪诚，等．LY12航空铝合金激光冲击强化实验研究[J]．航空精密制造技术，2007，（3）：

48–49．

【27】邹世坤，谭永生．激光冲击处理金属板材后的裂纹扩展速率[J]．中国激光，2004，31（l）:

270–272．

【28】FerrignoSJ,CowieWD,MannavaSR.LaserShockPeeningforGasTurbineEngineWeldRepair.US:

5,735,044[P],1998.

【29】ClauerAHBolbbrookJHFairandBP.EffectofLaserInducedShockWaveonMetals[D].New-York:

PlenumPublishingCorporation,1981.

【30】SanoY,MukaiN,OkazakiK,ObataM.ResidualStressImprovementinMetalSurfacebyUnderwaterLaserirradiation[J].Nu-clearInstrumentsandMethodsinPhysics,2004,121:

432–436.

【31】L