激光冲击强化的有限元模拟方法与流程

本发明涉及激光冲击强化技术领域，更具体地说，涉及一种激光冲击强化的有限元模拟方法。

背景技术：

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化手段，它是通过高功率密度(gw/cm²量级)、脉冲宽度(ns量级)的激光束通过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收涂层，涂层材料吸收激光能量迅速气化，形成高温、高压的等离子体，该等离子体受到约束层的作用对金属表面产生高强度的冲击波。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表层产生塑性应变，激光作用结束时，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，残余压应力的存在引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长零件的寿命。

三维平顶高斯光束是一类光能量空间分布具有一均匀平顶区域的激光，其冲击强化过程由于机理复杂同时受到多种可变因素的影响，给激光冲击强化工艺参数的优化带来很大困难。单单依靠实验数据和操作经验采用多次尝试的方法，需要耗费大量的时间和资金。进而有限元模拟方法被用来辅助激光冲击强化工艺参数的选择，同时通过分析应力应变和位移的变化来解释强化机理。在有限元模拟方面braisted和brockman首次采用abaqus/explicit+abaqus/implicit的方法进行了激光冲击强化的模拟，后人也大多采用这种有限元模拟方法，但是对于多光斑激光冲击强化时，这种方法不但耗时而且需要不断将每个光斑显式分析的结果带入隐式分析中去，直到所有的光斑都分析结束，同时针对不同工艺参数(光斑半径、搭接率、冲击路线等)，需要建立多次分析模型，因此迫切需要一种改进的有限元模拟方法对多光斑的激光冲击强化进行模拟分析。

综上所述，如何有效地解决多光斑的激光冲击强化参数优化困难等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种激光冲击强化的有限元模拟方法，该激光冲击强化的有限元模拟方法可以有效地解决多光斑的激光冲击强化参数优化困难的问题。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光冲击强化的有限元模拟方法，包括步骤：

在abaqus中建立三维模型，设置材料性能参数，采用johnson-cook本构方程，设置动态显式分析步并使得在每个分析步中靶材内部塑性变化达到最大值，同时动能最后趋近于0；

对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，实现载荷的施加；

网格划分，在激光冲击强化区域进行网格细化；

创建分析作业进行explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布。

优选地，上述有限元模拟方法中，所述网络划分，具体包括：

激光冲击强化区域采用单元类型c3d8r进行网格细化，并将激光冲击靶材的边界区域设置为无限单元并采用c3d8进行网格划分；

所述创建分析作业进行explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布，具体包括：

创建分析作业生成inp文件，在inp文件中将无限单元的单元类型改为cin3d8，生成新的inp文件；再次创建分析作业，同时调用新的inp文件和子程序，提交分析作业及后处理，最终得到残余应力场和位移变形分布。

优选地，上述有限元模拟方法中，本方法的实施只需进行显式分析，每个显式分析步的时间为8×10^-6s。

优选地，上述有限元模拟方法中，所述对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，具体包括：

使用fortran语言编辑子程序，对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行编辑。

优选地，上述有限元模拟方法中，所述激光为三维平顶高斯光束，在z＝0处的空间分布为下式：

式中，n，m，w0x，w0y分别为平顶高斯光束在x、y方向的阶数和束腰宽度。

应用本发明提供的激光冲击强化的有限元模拟方法，对于多光斑的激光强化冲击，只需进行显式分析，采用子程序实现不同位置不同时刻的加载，提高了效率，同时对于不同的工艺参数(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)，只需建立一次分析模型，其余工作通过子程序来完成。因此该方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，工程应用前景好。能够方便快捷的对多光斑的激光冲击强化进行模拟，从而对参数优化提供可靠依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的激光冲击强化的有限元模拟方法的流程示意图；

图2为激光冲击波加载曲线。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种有限元模拟方法，以便于多光斑的激光冲击强化参数优化。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，图1为本发明实施的激光冲击强化的有限元模拟方法的流程示意图；图2为激光冲击波加载曲线。

在示意图中，一种激光冲击强化的有限元模拟方法，包括以下步骤：

s1：在abaqus中建立三维模型，设置材料性能参数，采用johnson-cook本构方程，设置动态显式分析步并使得在每个分析步中靶材内部塑性变化达到最大值，同时动能最后趋近于0；

具体每个分析步的时间可根据需要进行设置，此处可以不作具体限定。

s2：对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，实现载荷的施加；

也就是通过子程序实现载荷的施加，具体载荷的参数等可根据需要进行设置，详细请参考现有技术，此处不再赘述。

s3：网格划分，在激光冲击强化区域进行网格细化；

s4：创建分析作业进行explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布。

此分析过程只需采用explicit求解器，即可获得残余应力和位移变形分布。通过子程序实现了多光斑不同位置不同时刻的加载，给载荷的施加带来了很大方便。

应用本发明提供的激光冲击强化的有限元模拟方法，对于多光斑的激光强化冲击，只需进行显式分析，采用子程序实现不同位置不同时刻的加载，提高了效率，同时对于不同的工艺参数(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)，只需建立一次分析模型，其余工作通过子程序来完成。因此该方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，工程应用前景好。能够方便快捷的对多光斑的激光冲击强化进行模拟，从而对参数优化提供可靠依据。

进一步地，上述步骤s3中，具体包括：

激光冲击强化区域采用单元类型c3d8r进行网格细化，并将激光冲击靶材边界区域设置为无限单元并采用c3d8进行网格划分；

则，步骤s4中创建分析作业进行explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布，具体包括：

创建分析作业生成inp文件，在inp文件中将无限单元的单元类型改为cin3d8，生成新的inp文件；再次创建分析作业，同时调用新的inp文件和子程序，提交分析作业及后处理，最终得到残余应力场和位移变形分布。

优选地，上述有限元模拟方法中，只需进行显式分析，并且每个显式分析步的时间为8×10^-6s。根据具体需要，也可以对显式分析步的时间进行适当调整。

具体的，上述有限元模拟方法中，对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，具体包括：

使用fortran语言编辑子程序，对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行编辑。采用fortran语言进行子程序编辑，便于对子程序的调用，根据需要也可以采用其他常规的机器语言编辑子程序。

优选地，上述有限元模拟方法中，所述激光为三维平顶高斯光束，在z＝0处的空间分布为下式：

式中，n，m，w0x，w0y分别为平顶高斯光束在x、y方向的阶数和束腰宽度。根据需要也可以采用其他常规的激光束。

以下以一个优选的实施方式为例进行说明。

以材料2050-t8铝合金为例，进行有限元模拟，包括以下步骤：

步骤1，在abaqus中建立几何模型及定义材料和截面属性：几何尺寸为25mm*25mm*5mm，材料密度为2750kg/m³，泊松比0.33，弹性模量为72gpa。采用johnson-cook模型来描述2050-t8的动态本构关系，公式(1)为该模型的表达式。

式中：a为屈服强度，b和n反应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，为静态应变速率，本文中取值为a＝510mpa，b＝200mpa，n＝0.45，c＝0.02，设置动态显式分析步应确保在每个分析步中靶材内部塑性变化达到最大值，同时动能最后接近于0，每个分析步的时间设置为8×10^-6s；

施加载荷：激光功率密度为3.5gw/cm²，采用圆形光班，光斑直径1.5mm，脉冲宽度设置为10ns，三维平顶高斯光束在z＝0处的空间分布为公式2，激光冲击波加载曲线为图2，使用fortran语言编辑子程序，对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行编辑；

式中，n，m，w0x，w0y分别为平顶高斯光束在x、y方向的阶数和束腰宽度。

步骤3，网格划分：在激光冲击强化区域进行网格细化，采用单元类型为c3d8r；将激光冲击靶材边界区域设置为无限单元，该部分首先采用单元类型c3d8，单元尺寸大小为150μm*150μm*50μm；

步骤4，创建分析作业生成inp文件，在inp文件中将无限单元部分的单元类型改为cin3d8，生成新的inp文件；再次创建分析作业，同时调用新的inp文件和fortran语言编辑的子程序，提交分析作业及后处理，最终得到残余应力场和位移变形分布。

对三维平顶高斯光束激光冲击强化的铝合金板采用有限元软件abaqus进行模拟分析，此分析过程只需采用explicit求解器，即可获得残余应力和位移变形分布。本发明通过fortran语言编辑子程序实现了多光斑不同位置不同时刻的加载，给载荷的施加带来了很大方便，同时在优化冲击强化工艺参数(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)上带来了很大方便，在研究以上工艺参数对激光冲击强化的影响时只需建立一次分析模型，其余的工作在子程序中完成即可，提高了建模效率。同时本有限元模型采用了无限单元作为反射边界，防止在边界上产生应力波反射，重新进入模型，从而导致结果不正确，无限单元的使用还可以减少计算时间。该模拟方法具有建模效率高、成本低、计算准确、时间短的特点，具有一定的工程应用前景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。