专利名称：一种优化双面激光同时冲击合金厚度的方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及激光冲击强化技术领域，特指一种在利用双面激光同时冲击合金时，提高合金强化效果的方法。
背景技术：
激光冲击强化是利用功率密度大于IO9 ff/cm2,短脉冲ns级的激光束冲击金属材料表面产生高强度的冲击波，峰值压力达到GPa级向金属内部传播，在形成密集、稳定的错位结构的同时，使表面材料发生塑性变形以产生很大的残余压应力，从而提高金属材料的机械性能，如强度性能、疲劳性能等的表面强化技术。激光喷丸因其独特的零污染、高效率、高精度等特性而被广泛应用。目前国内外对激光冲击强化合金的研究主要集中在靶材单面受冲的情况，而实际在现实生活中，尤其在一些军用飞机和航空飞船的零部件上，如发动机的叶片，螺旋桨的泵叶等等，由于它们裸露在外界，零部件的正反两面往往会同时受到各种恶劣工况的考验，且常常需要承受高强度、高负载的工作，为了避免疲劳锻炼以及各种磨损、腐蚀等。这对怎样同时提高靶材双面的机械性能提出了迫切的要求。但当利用双面激光同时冲击薄靶材时，其最优厚度并不是简单的两倍于实验所测得的残余应力深度值。当正反双面冲击的两个脉冲冲击波形成对冲发生碰撞时，合金内部的残余应力场会发生复杂的相对运动和变化，从而削弱表面残余压应力层，靶材的厚度越薄，这种影响越明显。双面激光同时冲击合金材料时，合金厚度是影响其冲击强化效果的重要因素，目前尚缺乏双面激光同时冲击合金厚度的优选方法。
发明内容
本发明提供了一种合金双面激光同时冲击厚度的优化方法，为双面激光同时冲击合金厚度的优选提供技术指导，提高靶材双面机械性能。为解决以上技术问题，本发明采用大型有限元计算软件，模拟各种不同厚度的合金靶材受到双面激光同时冲击后正反两个表面及其内部的残余应力场的分布，将之与相同激光冲击条件下的单面冲击的模拟结果进行对比，得出使合金靶材受到双面冲击时获得和单次冲击相近的强化深度以及相同数值量级的残余应力的最优厚度。采用的具体技术方案如下:
步骤一，构建一个2D轴对称模型，模拟激光单面冲击合金所得残余应力场，得到残余应力沿轴向深度方向的曲线；
步骤二，观察其最大残余应力值和残余应力影响深度，与2D轴对称模型的理论残余应力影响深度进行对比，计算模拟与理论之间的匹配度，验证模拟方法的可靠性； 步骤三，构建多组厚度依次小幅叠加的2D轴对称模型，为了减少边界反射所带来的影响，就要使得模型半径应足够大，使边界反射趋于0，故模型的半径应大于等于模型厚度的5倍。利用所述单面冲击相同的激光工艺参数对双面激光同时冲击靶材的过程进行模拟，设置模拟参数:
(1)设置材料性能模块输入靶材质量密度Pkg/m3,弹性模量E MPa,泊松比u，动态屈服极限MPa ;在装配模块中设置实体类型为非独立实体；
(2)设置分析步在初始分析步后面设置Step-Ι，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为4000 ns，在利用显式模块分析动态应力状态时，为了使计算能够收敛，故时间增量应小于合金的稳定极限；
(3)根据模型厚度的不同，选择不同的网格密度；单元类型设为显示，网格受载类型设为轴对称应力。.(4)根据试验所设的激光的脉冲宽度，压力脉冲持续时间一般设置为激光脉冲宽度的2 3倍，在其右侧对称轴处添加U1=UR2=UR3=0的对称边界条件，在上下底面靠近对称轴处施加与单次冲击相同半径相同大小的脉冲压力；最后提交初始Job进行分析；
(5)将(4)计算所得的模拟数据导入到新的模型块，设置新模型中载荷的预定义场为原Job名称，删除原有Step-Ι，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改网格单元的类型为隐式，最后提交新Job进行回弹分析，得到稳定的残余应力场:
(6)对比分析多组模型沿轴向深度方向的残余应力曲线，选取与单面冲击所得的残余应力影响深度相差在±0.1mm的模型,找出其中残余应力最大值达到饱和的最小模型厚度即为最优厚度。步骤四，对比分析步骤三中不同厚度的模型沿轴向深度方向的残余应力曲线，将同时满足以下三点要求的模型厚度作为最优厚度残余应力最大值达到饱和；二单面冲击所得的残余应力影响深度相差在±0.1mm 满足以上两点条件的最小模型厚度。实施本发明的有益效果为:通过有限元仿真模拟，可以获得双面激光同时冲击合金的最优模型厚度，使得双面激光同时冲`击强化效果达到最佳，从而提高靶材双面机械性倉泛。
图1是优化双面激光同时冲击合金厚度方法的示意图。图2是单次冲击靶材沿轴向深度方向的残余应力分布图。图3是双面激光同时冲击不同厚度靶材沿轴向的残余应力分布图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明:
本发明所模拟的靶材材料为AM50镁合金，密度P =1800 kg/m3，弹性模量E=44800 MPa,
泊松比u=0.3，动态屈服极限of" =375 MPa，压力脉冲宽度为t=57 ns。激光产生的峰值压力设为1600 MPa。激光冲击所产生的应力波在靶材内部传播过程中，在刚刚接触板材表面的应力波最强，对板材的强化效果最好，随着应力波向靶材内部传播距离的增加，强度逐渐衰落，对材料的强化效果也在逐渐减弱，直至产生反向的残余拉应力。
激光冲击作用下的理论残余应力影响深度1 可按下式估算:
权利要求
1.一种优化双面激光同时冲击合金厚度的方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一，构建一个2D轴对称模型，模拟激光单面冲击合金所得残余应力场，得到残余应力沿轴向深度方向的曲线； 步骤二，观察其最大残余应力值和残余应力影响深度，与2D轴对称模型的理论残余应力影响深度进行对比，计算模拟与理论之间的匹配度，验证模拟方法的可靠性； 步骤三，构建多组厚度依次小幅叠加的2D轴对称模型且模型半径大于等于模型厚度的5倍，利用所述单面冲击相同的激光工艺参数对双面激光同时冲击靶材的过程进行模拟，设置模拟参数； 步骤四，对比分析步骤三中不同厚度的模型沿轴向深度方向的残余应力曲线，将同时满足以下三点要求的模型厚度作为最优厚度::::残余应力最大值达到饱和单面冲击所得的残余应力影响深度相差在±0.1mm v.3.满足以上两点条件的最小模型厚度。
2.一种如权利要求1所述的优化双面激光同时冲击合金厚度的方法，其特征在于:所述的设置模拟参数过程如下: 步骤一，设置材料性能模块输入靶材质量密度P kg/m3，弹性模量E MPa，泊松比u，动态屈服极限MPa ;在装配模块中设置实体类型为非独立实体； 步骤二，设置分析步在初始分析步后面设置Step-Ι，分析步类型设为显示动态类，打开几何非线性，分析时长设为4000 ns，在利用显式模块分析动态应力状态时，使时间增量小于合金的稳定极限； 步骤三，根据模 型厚度的不同，选择不同的网格密度；单元类型设为显示，网格受载类型设为轴对称应力；.步骤四，根据试验所设的激光的脉冲宽度，压力脉冲持续时间一般设置为激光脉冲宽度的2 3倍，在其右侧对称轴处添加U1=UR2=UR3=0的对称边界条件，在上下底面靠近对称轴处施加与单次冲击相同半径相同大小的脉冲压力；最后提交初始Job进行分析； 步骤五，将步骤四计算所得的模拟数据导入到新的模型块，设置新的模拟参数，做静态回弹分析，得到稳定的残余应力场； 步骤六，对比分析多组模型沿轴向深度方向的残余应力曲线，选取与单面冲击所得的残余应力影响深度相差在±0.1mm的模型,找出其中残余应力最大值达到饱和的最小模型厚度即为最优厚度。
3.—种如权利要求1或2所述的优化双面激光同时冲击合金厚度的方法，其特征在于所述的设置新的模拟参数过程如下:设置新模型中载荷的预定义场设为原Job名称，删除原有Step-Ι，新建一个Step，类型设置为静态隐式，在网格模块修改的类型为隐式；提交新Job进行分析。
全文摘要
本发明公开了一种优化双面激光同时冲击合金厚度的方法。其主要是通过构建多组不同厚度的2D轴对称模型，模拟双面激光同时冲击靶材的情况；通过对比分析不同厚度的模型沿轴向深度方向的残余应力曲线，得出其强化效果达到最佳的最优厚度。本发明可以利用到航空和民用中飞机涡轮、整体叶盘、汽轮机和水轮机等多个领域。由于这些零部件的叶片太薄、弯扭大，单面激光冲击强化易造成叶片变形和破坏，另外单面激光冲击在冲击面呈现高幅残余压应力的同时冲击背面呈现拉应力状态，故叶片双面激光同时冲击是一种有效的叶片强化方法。
文档编号C21D1/09GK103255268SQ201310224710
公开日2013年8月21日 申请日期2013年6月7日 优先权日2013年6月7日
发明者罗开玉, 陈起, 罗密, 林通, 刘娟 申请人:江苏大学