一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法

1.本发明涉及机械工程的激光加工领域，尤其涉及一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法。


背景技术：

2.飞机受损件是指受到腐蚀损伤的飞机结构件。
3.当腐蚀深度较小时，飞机受损件经过修复后仍可继续使用。修复过程中，通过打磨处理去除被腐蚀的材料，形成具有复杂表面形状的打磨件(包含平面、凸圆弧面、斜面、凹圆弧面等，如图1所示)；随后，为了补强打磨区域的抗腐蚀性能和延长疲劳寿命，需要对打磨件进行表面强化处理如机械喷丸和激光喷丸等(如图2和图3所示)。
4.与机械喷丸相比，激光喷丸具有残余压应力大、影响深度大、精确可控等优势，在飞机受损件修复中具备广阔的应用前景。
5.激光喷丸主要的工艺参数包括搭接率、激光能量、冲击次数等。
6.这些工艺参数对修复后的残余应力具有直接影响。
7.然而，在传统的飞机受损件激光喷丸修复中，各个位置的激光喷丸工艺参数是保持一致的。但由于相同工艺参数的激光喷丸作用在不同表面形状上所得到的残余应力值是不同的。因此均匀的工艺参数激光喷丸处理具有复杂表面形状的受损件后，得到的残余应力场往往非均匀分布的。
8.若采用统一的激光喷丸参数进行激光喷丸处理，则难以满足飞机受损件各个位置对残余应力的需求，导致需要高残余压应力的位置残余应力不足(激光喷丸不足)，而对残余应力要求不高的位置残余应力过剩(激光喷丸过剩)。残余应力不足则会降低修复强化效果使得疲劳寿命达不到修复预期。残余应力过剩的区域则会因为过渡喷丸而可能引起表面微缺陷。
9.避免飞机受损件出现部分区域激光喷丸不足而部分区域激光喷丸过剩，关键在于根据零件各个区域对残余压应力的需求而通过激光喷丸工艺参数灵活调控得到预期的残余应力场。
10.残余应力调控通过激光喷丸参数的连续变化得以实现。
11.在激光喷丸试验中，光斑能量调整时较为费时(需要先将激光器停止后再调整输入电压方能实现光斑能量的调整)、冲击次数作为调整参数时，可能会因多次激光喷丸导致试样表面损伤；过大的激光入射角会在冲击面引入残余拉应力和降低残余压应力，可调角度范围较小。
12.搭接率的调整则仅需要通过机器人预先编写运动点轨迹，属于容易调整且对残余应力影响效果较明显的参数。因此通过改变搭接率来控制目标位置的残余应力大小具有调整方便的优势。根据受损件形状特点和所受载荷情况，获得各个位置对残余应力的需求情况并对该位置的激光喷丸参数进行设计，定量获得预期的残余应力场，对于飞机受损结构件修复技术的完善和提高飞机持续适航性具有重要的理论价值和实践意义。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于为了获取飞机受损件激光喷丸良好修复效果，克服现有均匀工艺参数激光喷丸所带来的残余应力分布不合理、资源浪费等缺陷，提供一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法。
14.本发明通过对激光喷丸搭接率与残余压应力之间的关系，进行拟合得到数学表达式，实现根据零件预期残余应力场进行搭接率设计，获得受损件激光喷丸光斑路径，实现残余应力的调控。
15.本发明通过下述技术方案实现：
16.一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法，包括如下步骤：
17.步骤一，建立激光喷丸有限元模型：
18.根据飞机受损件表面几何形状、材料类型以及所采用的激光喷丸设备，建立对应的飞机受损件激光喷丸有限元模型；
19.步骤二，获得残余应力
‑
搭接率拟合关系式：
20.基于步骤一的飞机受损件激光喷丸有限元模型，对不同形状区域下的搭接率对残余应力的影响规律进行模拟分析，获得对应的搭接率与残余应力的拟合关系式；从而获得由搭接率预测残余应力值，以及由所需的残余应力值反推所需搭接率；
21.步骤三，分析飞机受损件复杂表面形状在受载后的应力分布：
22.根据受损件所受载荷，进行静力分析，获得受损件每个位置在外载荷作用下的应力值；
23.步骤四，获得受损件激光喷丸搭接率数据：
24.根据步骤三得到的受损件每个位置的应力值，求解与之相抵消的残余应力值的大小；根据步骤二搭接率和残余应力拟合关系式，求解受损件每个位置的搭接率从而得到激光光斑路径；
25.步骤五，进行激光喷丸修复处理：
26.根据步骤四的激光光斑路径，进行激光喷丸处理，获得调控得到的残余应力场。
27.上述步骤二所述搭接率与残余应力的拟合关系式如下：
28.σ＝
‑
a+bexp(c
×
η)
29.其中，σ为残余应力，η为搭接率，参数a,b,c根据模拟分析获得。
30.上述步骤四所述求解与之相抵消的残余应力值的大小，具体如下：
31.选定激光喷丸起始点p1(x1，y1)，根据步骤三得出起始点的外载荷应力值σ1，则与之相抵消的残余应力为
‑
σ1；
32.根据步骤二的搭接率与残余应力的拟合关系式，以及点p1所处的形状分区，求解p1点的激光喷丸搭接率反求出每个位置的搭接率η1；
33.当p1点的搭接率确定后，即可求解出在x轴方向和y轴方向与p1点相邻的激光光斑的坐标，同样地可以求解该相邻光斑所需的搭接率；
34.以此类推，当所有光斑的位置均被求解得到时，即可形成受损件所有激光光斑的位置路径。
35.上述步骤一所述激光喷丸有限元模型，是基于abaqus软件的激光喷丸有限元模型。
36.上述步骤一所述根据飞机受损件表面几何形状、材料类型以及所采用的激光喷丸设备，建立对应的飞机受损件激光喷丸有限元模型，是指：
37.根据待修复的零件的表面几何形状，将其表面划分为对应区域；
38.根据飞机受损件材料和对应区域，建立飞机受损件激光喷丸有限元模型；并根据对应区域采用针对性的网格划分策略。
39.上述对应区域，是指凸圆弧面区、凹圆弧面区和平面区。
40.上述步骤二所述基于步骤一的飞机受损件激光喷丸有限元模型，对不同形状区域下的搭接率对残余应力的影响规律进行模拟分析，具体是指：采用3
×
3阵列9点激光喷丸处理，以第二行第二列光斑圆心为中心点、以光斑直径为长和宽的矩形区域进行残余应力平均，并根据9个激光光斑位置关系获得对应的搭接率。
41.本发明是残余应力
‑
搭接率拟合关系式的构建以及根据预期残余应力场求解飞机受损件各个位置的搭接率。对于拟合关系式的构建，首先需要解决某点残余应力的表征问题，这是因为激光喷丸的光斑具有一定的半径，而且一个光斑上的残余应力还将受到周围光斑的影响。采用一定范围内的残余应力平均值来表征某点的残余应力值。采用3
×
3阵列9点激光喷丸处理并以第二行第二列光斑圆心为中心点的以光斑直径为长和宽的矩形区域进行残余应力平均。搭接率的求解主要依据为所建立残余应力
‑
搭接率拟合关系式，在表面形状确定的情况下，搭接率与残余应力值一一对应；由于零件在受力时零件上的应力是连续变化的，所以求解的搭接率也呈现非均匀但连续变化的特点。
42.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
43.本发明根据表面形状分区并建立对应的参数和残余应力的关系、反求搭接率形成光斑路径、定量设计残余应力场、采用搭接率容易控制和编程、具有普适性。
44.本发明根据表面形状对零件进行分区，分别构建对应的残余应力与搭接率的关系，为飞机受损件激光喷丸修复时搭接率的选取提供依据，避免根据操作人员经验选取工艺参数导致修复效果不佳的问题；
45.本发明提出了基于9点法平均值的方法表征某点残余应力的方法，在确定某点残余应力方面具有简单、准确的优势；
46.本发明通过控制搭接率对飞机受损件激光喷丸修复残余应力进行调控，具有调控易于实现、成本低等优点；与调控其他工艺参数相比，基于搭接率的残余应力调控并不会大幅增加激光喷丸处理时间；
47.本发明根据受损件形状和受力特点，在确定初始点后，自动求解所有激光光斑圆心，形成激光喷丸光斑路径图。由于搭接率是由零件形状和外载荷反推得到，因此可以满足零件不同部位对残余压应力的要求，最大化和均匀化飞机受损件修复后的疲劳寿命。
48.本发明适用于飞机受损件的修复，同时也适用于无损伤件的强化。
附图说明
49.图1是飞机受损件打磨去除腐蚀区域的方框示意图。
50.图2是飞机受损件二分之一几何模型、几何形状分区及激光喷丸流程方框示意图；其图中附图标记：1为未打磨轮廓；2为打磨后轮廓；3为原腐蚀区域。
51.图3是图2的横截面示意图。
52.图4是残余应力调控时求解所有光斑圆心位置的流程方框示意图。
53.图5是表征某点残余应力时所用于平均的区域(图中的剖面线矩形)。
54.图6是实施案例求解得到非均匀搭接率激光喷丸光斑路径流程方框示意图。
具体实施方式
55.下面结合实施案例对本发明作进一步具体详细描述。
56.本发明公开了一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法，可通过如下方案实现。
57.实施案例：飞机受损件，试样厚度为4.5mm，打磨深度为0.6mm，对其进行激光喷丸残余应力调控，具体步骤如下：
58.1、建立激光喷丸有限元模型：
59.根据飞机受损件几何形状、材料类型以及所采用的激光喷丸设备，建立对应的飞机受损件激光喷丸有限元模型，如图2和图3所示。
60.2、获得残余应力
‑
搭接率拟合关系式：
61.基于步骤1的有限元模型，对不同形状区域下的搭接率对残余应力的影响规律进行模拟分析，基于9点激光喷丸法得到不同搭接率下对应的残余应力值，对得到的搭接率
‑
残余应力点进行拟合，确定参数a,b,c，获得对应的拟合关系式。从而获得由搭接率预测残余应力值以及由所需的残余应力值反推所需搭接率的手段。本实施案例中，搭接率与残余应力的拟合关系式如下(σ为残余应力，η为搭接率)：
62.凸圆弧面：σ＝
‑
193.94+45.77exp(0.034η)
63.斜面：σ＝
‑
204.80+37.72exp(0.040η)
64.凹圆弧面：σ＝
‑
215.45+34.47exp(0.038η)
65.3、分析飞机受损件复杂表面形状在受载后的应力分布：
66.飞机受损件通常受到疲劳载荷作用，取最大载荷时的状态作为分析对象。根据受损件所受载荷，进行静力分析。获得受损件每个位置在外载荷作用下的应力值。
67.4、获得受损件激光喷丸搭接率数据：
68.根据步骤3得到的受损件每个位置的应力值，求解与之相抵消的残余应力值的大小。选定激光喷丸起始点p1(x1，y1)，根据步骤3得出起始点的外载荷应力值σ1，则与之相抵消的残余应力为
‑
σ1。根据步骤2的残余应力
‑
搭接率拟合关系式以及点p1所处的形状分区，求解p1点的激光喷丸搭接率反求出每个位置的搭接率η1。当p1点的搭接率确定后，可求解出在x轴方向和y轴方向与p1点相邻的激光光斑的坐标，同样地可以求解该相邻光斑所需的搭接率。以此类推，当所有光斑的位置均被求解得到时，即可形成受损件所有激光光斑的位置路径，如图6所示。
69.5、进行激光喷丸修复处理：
70.根据步骤4的激光光斑路径，进行激光喷丸处理，获得调控得到的残余应力场。
71.如上所述，本发明根据飞机受损件表面形状建立基于abaqus软件的激光喷丸有限元模型，依托该模型建立各个表面形状分区的残余应力与激光光斑搭接率之间的拟合关系式；结合受损件表面形状及受力情况，设计出能与外载荷相抵消的预期残余应力场，并以此求解具有非均匀分布特点的激光喷丸搭接率；在飞机受损件实际修复过程中采用该非均匀
搭接率实现对残余应力的调控，得到与预期相吻合的残余应力场。本发明充分利用非均匀搭接率对残余应力的影响，获得可使受损件在外载荷下表面处于近似无受力的状态，极大地提升飞机受损件激光喷丸修复效果。
72.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。