多点激光冲击成形的有限元模拟方法

摘要

本发明公开了一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，包括如下步骤：采用有限元模拟软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体进行多点激光冲击模拟，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT；由理论公式σLSP＝σTOT-σEQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布；σEQ为平衡应力；在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布数据进行拟合，得到σLSP在厚度方向分布的拟合函数；在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下所需的零件形状。本发明采用理论与有限元模拟相结合的方法，花费较少的成本即可建立起激光冲击成形工艺参数与所需零件形状之间的关系。

权利要求

1.一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用有限元模拟软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体进行多点激光冲击模拟，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT；

(2)由理论公式σLSP＝σTOT-σEQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布；

σEQ为平衡应力；

(3)在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布数据进行拟合，得到σLSP在厚度方向分布的拟合函数；

(4)在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下所需的零件形状。

2.如权利要求1所述的多点激光冲击成形的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，多点激光冲击模拟具体包括如下步骤：(11)建立几何模型及定义材料属性；

(12)设置显式分析步；分析步的时间应确保在每个分析步中动能最后趋近于0；

(13)施加载荷和划分网格；

(14)提交分析作业及后处理；完成有限元计算，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT，其中厚度方向为Z轴方向，总的残余应力分布σTOT包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σTOT,XX和Y轴向的应力σTOT,YY。

3.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(11)中，采用如下模型来描述TC4钛合金的动态本构关系；

式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，εp代表等效塑性应变，代表参考应变速率，代表动态应变率。

4.如权利要求1所述的多点激光冲击成形的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，具有一定尺寸的特征单元体与实际多点激光冲击成形零件在厚度方向具有相同尺寸，长宽尺寸比实际多点激光冲击成形零件小。

5.如权利要求1所述的多点激光冲击成形的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(2)中的由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布，其中厚度方向为Z轴方向，σLSP包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σLSP,XX和Y轴向的应力σLSP,YY。

说明书

多点激光冲击成形的有限元模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多点激光冲击成形技术领域，尤其是一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法。

背景技术

[0002] 激光冲击成形是一个新型的激光应用领域，凭借快速敏捷的塑性精确成形发展而来的一种全新的零件成形工艺技术，在获取所需形状零件的同时在零件表层还能产生具有一定厚度的残余压应力。激光冲击成形是利用高功率密度、短脉冲的激光器，通过特定的光学元件形成相应的激光光斑光束，该光束透过流动的水约束层照射到吸收层上，吸收层吸收激光能量发生气化产生蒸汽，蒸汽在约束层水的约束情况下，继续吸收激光能量形成等离子体冲击波，由于约束层的作用，等离子体冲击波产生向零件内部传播的应力波，当产生的应力超过材料的动态屈服强度时，零件产生宏观塑性变形。

[0003] 为了获得所需形状的激光冲击成形零件，需要对激光冲击工艺参数进行优化，然而由于多点激光冲击成形机理的复杂性以及成形中诸多可变因素的影响，使得在优化工艺参数上存在很大困难。如果仅依靠实验数据和操作经验来确定工艺参数，则将花费大量的人力、物力和时间，增加制造成本。在对大型零件的激光冲击成形时，更是如此。通过充分利用材料的成形性能和零件的结构特征，结合有限元模拟计算，来挖掘新的成形工艺方法。因此将有限元模拟引入到多点激光冲击成形中，对激光冲击成形工艺参数进行优化。在实际操作中，由于光斑尺寸很小，成形的零件一般尺寸比较大，激光冲击成形过程中所需光斑的数量成千上万，同时在激光冲击区域网格还需要进行细化，这样有限元模拟的计算量将非常巨大，受到计算成本的限制，现在迫切需要一种新型的多点激光冲击成形有限元模拟方法。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，采用理论与有限元模拟相结合的方法，在较少的时间内确定多点激光冲击成形所需的工艺参数，从而花费较少的成本即可建立起激光冲击成形工艺参数与所需零件形状之间的关系。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，包括如下步骤：

[0006] (1)采用有限元模拟软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体进行多点激光冲击模拟，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT；

[0007] (2)由理论公式σLSP＝σTOT-σEQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布；σEQ为平衡应力；

[0008] (3)在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布数据进行拟合，得到σLSP在厚度方向分布的拟合函数；

[0009] (4)在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下所需的零件形状。

[0010] 优选的，步骤(1)中，多点激光冲击模拟具体包括如下步骤：

[0011] (11)建立几何模型及定义材料属性；

[0012] (12)设置显式分析步；分析步的时间应确保在每个分析步中动能最后趋近于0；

[0013] (13)施加载荷和划分网格；

[0014] (14)提交分析作业及后处理；完成有限元计算，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT，其中厚度方向为Z轴方向，总的残余应力分布σTOT包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σTOT,XX和Y轴向的应力σTOT,YY。

[0015] 优选的，步骤(11)中，采用如下模型来描述TC4钛合金的动态本构关系；

[0016]

[0017] 式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，εp代表等效塑性应变， 代表参考应变速率，代表动态应变率。

[0018] 优选的，步骤(1)中，具有一定尺寸的特征单元体与实际多点激光冲击成形零件在厚度方向具有相同尺寸，长宽尺寸比实际多点激光冲击成形零件小。

[0019] 优选的，步骤(2)中的由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布，其中厚度方向为Z轴方向，σLSP包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σLSP,XX和Y轴向的应力σLSP,YY。

[0020] 本发明的有益效果为：首先在ABAQUS中对具有较小几何尺寸的特征单元体进行模拟分析，获得实际多点激光冲击成形零件厚度方向的残余应力分布，同时多点激光冲击过程数值模拟只需进行显式分析，对于多光斑的激光冲击强化载荷施加过程，采用Fortran语言编辑的子程序实现不同位置不同时刻的加载，提高了效率，大大减少了计算成本；同时采用Matlab对模拟得到的残余应力数据进一步进行拟合处理，获得残余应力分布函数，提高了数据分析的效率和准确性；最后将由不同的工艺参数(激光功率密度、光斑半径、冲击强化路线、强化次数、搭接率、脉宽)得到的厚度方向残余应力分布数据作为初始应力场，由用户子程序SIGINI进行定义，对具有实际几何大尺寸零件进行隐式分析，获得所需形状的零件，因此该方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，具有较好工程应用前景。

附图说明

[0021] 图1为本发明的方法流程示意图。

[0022] 图2为本发明的多激光冲击成形加载区域示意图。

[0023] 图3为本发明的多激光冲击成形得到的最终零件形状示意图。

具体实施方式

[0024] 如图1所示，一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，包括如下步骤：

[0025] (1)采用有限元模拟软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体进行多点激光冲击模拟，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT；

[0026] (2)由理论公式σLSP＝σTOT-σEQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布；σEQ为平衡应力；

[0027] (3)在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布数据进行拟合，得到σLSP在厚度方向分布的拟合函数；

[0028] (4)在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下所需的零件形状。

[0029] 下面结合具体实例对实施多点激光冲击成形的有限元模拟方法作以下详细描述：

[0030] 首先是针对多点激光冲击特征单元体进行数值模拟，此过程只需采用Explicit求解器。多点激光冲击过程数值模拟包括以下步骤：

[0031] 1.1.建立几何模型及定义材料属性：激光冲击强化薄壁件实际尺寸为150mm*30mm*3mm，模拟分析的特征单元体几何尺寸为25mm*25mm*3mm，材料密度为4500kg/m3，泊松比0.34，弹性模量为110GPa。采用Johnson-Cook模型来描述TC4钛合金的动态本构关系，公式1为该模型的表达式。

[0032]

[0033] 式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，εp代表等效塑性应变， 代表参考应变速率，代表动态应变率；

[0034] 1.2.设置显式分析步：分析步的时间应确保在每个分析步中动能最后趋近于0；

[0035] 1.3.施加载荷和划分网格：加载区域如图2所示，冲击波峰值压力为3.8GPa，采用平顶光束，圆形光班，光斑大小为3mm，脉冲宽度设置为10ns，搭接率为50％，使用Fortran编辑子程序进行多光斑不同位置和不同时刻载荷的施加；在激光冲击强化区域进行网格细化，网格大小为150μmx150μmx75μm；

[0036] 1.4.提交分析作业及后处理：完成有限元计算，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σTOT，其中厚度方向为Z轴方向，总的残余应力分布σTOT包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σTOT,XX和Y轴向的应力σTOT,YY。

[0037] 由理论公式σLSP＝σTOT-σEQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布，其中厚度方向为Z轴方向，σLSP包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σLSP,XX和Y轴向的应力σLSP,YY。

[0038] 在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σLSP厚度方向分布数据进行拟合，得到不同区域σLSP在厚度方向分布的拟合函数，分别为：

[0039] 当0≤X≤50；100≤X≤150；0≤Z≤1.68时

[0040] σLSP,XX＝-208.6-376.5*cos(z*2.687)+174.1*sin(z*2.687)

[0041] -36.31*cos(2*z*2.687)+99.75*(2*z*2.687)

[0042] σLSP,YY＝-188.3-361.4*cos(z*2.68)+149.1*sin(z*2.68)

[0043] -42.68*cos(2*z*2.68)+92.94*(2*z*2.68)

[0044] 当50≤X≤100；1.68≤Z≤3时

[0045] σLSP,XX＝-211+196*cos(z*2.627)-372.8*sin(z*2.627)

[0046] +27.71*cos(2*z*2.627)+104.6*(2*z*2.627)

[0047] σLSP,YY＝-189.2+173.5*cos(z*2.634)-355*sin(z*2.634)

[0048] +31.82*cos(2*z*2.634)+99.06*(2*z*2.634)

[0049] 在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下，所需的零件形状，最终零件形状如图3所示。

[0050] 尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。