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不锈钢—碳钢层合板激光弯曲数值模拟及工艺基础

李紫慧  
【摘要】:由不锈钢-碳钢层合板制成的槽型舱壁件决定着航空航天飞行器及深水潜水器等装备的承载力、性能和安全。激光弯曲成形是一种适用于舱壁件等板壳类零件成形加工的有效成形工艺。激光弯曲层合板时,因为板材具有不同材料面结合和沿板厚方向材料性能存在突变的特征,所以需要准确预测弯曲角度并保证较高的弯曲精度,为飞行器、深水潜水器等装备的运载能力提供理论和实验依据。针对不锈钢-碳钢层合板各层材料性能不同的特点,引入材料塑性区临界温度概念定义并求解出加热阶段塑性区深度|s|,基于温度梯度机理建立层合板激光弯曲角度多层解析模型;基于热弹塑性有限元理论,建立考虑过渡层等效参数的激光弯曲层合板有限元模型,预测激光弯曲层合板角度;提出能量补偿方法和线型光斑同时加载方法减小翘曲变形,提高层合板弯曲成形精度,对丰富层合板激光弯曲成形理论、促进不锈钢-碳钢层合板在高端运载器上广泛应用具有重要科学意义和应用价值。主要研究内容如下:(1)考虑塑性区深度的层合板激光弯曲原理及多层解析模型建立针对不锈钢-碳钢层合板各层材料参数不同的特点,通过分段函数建立层合板沿厚度方向温度分布公式。基于温度梯度机理,引入塑性区临界温度概念定义塑性区深度。塑性区内,考虑到不锈钢和碳钢各自不同的屈服强度随温度变化曲线,使用积分法分区计算塑性区平均压应力。基于对塑性区深度及塑性区平均压应力的新计算方法,假设激光加热时为塑性变形冷却时为弹性变形,建立了适用于层合板的激光弯曲角度多层解析模型,该模型计算结果与实验数据相比,平均误差为8.82%,为层合板激光弯曲数值模拟提供了理论基础。(2)基于过渡层的层合板激光弯曲有限元模型建立为了准确建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,在不锈钢层和碳钢层元素浓度不同且能量变化的共同作用下,考虑了通过结合面向周围扩散形成的过渡层。采用电子探针面扫描实验准确测量层合板过渡层厚度,并由过渡层处元素分布特点计算过渡层的等效材料参数。根据热传导和热弹塑性有限元理论,通过ANSYS软件建立不锈钢-碳钢层合板激光弯曲多层有限元模型。采用相同工艺参数对层合板进行了脉冲激光弯曲实验验证和数值模拟,其弯曲角度的最大误差为3.74%,小于平均值法计算过渡层模拟的误差4.93%,过渡层等效参数的计算为激光弯曲机理分析提供了更高精度的模拟环境。(3)不锈钢-碳钢层合板激光弯曲模拟及成形规律的研究考虑到不锈钢-碳钢层合板中过渡层和碳钢层对弯曲角度的影响,基于ANSYS平台对比单一不锈钢板,研究层合板各层在激光弯曲过程中温度、应力及应变沿厚度方向传递规律发现:受结合面的界面热阻及碳钢层的快速热传导的影响,层合板厚度方向上温度低于单一不锈钢板,且层合板塑性变形区深度小于单一不锈钢板。考虑温度分布和碳钢材料性能的影响,层合板塑性区应力及应变小于单一不锈钢板,导致层合板弯曲角度小于单一不锈钢板。当激光功率P=140 W,扫描速度v=400 mm/min,离焦量Z=+10 mm,扫描次数N=1时,层合板弯曲角度为1.336°,小于单一不锈钢板弯曲角度1.760°。另外,针对结合面处应力突变,提出一种通过激光和空气对流能量模式叠加变换的层合板激光协调弯曲方法,提高层合板结合面的结合质量。(4)不锈钢-碳钢层合板翘曲变形分析及翘曲抑制方法受初始温度及边界效应影响,扫描线上各点最高温度分布不均匀。经热传导及空气对流的共同作用,扫描线中间区域出现热累积现象。扫描路径上热量分布的不均匀是产生翘曲变形的主要原因。由应力场分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲变形吻合。针对这种主要由于温度不均匀而产生的翘曲变形,提出扫描线两端局部能量补偿方法和线型光斑在层合板上同时加载的激光弯曲成形方法,激光弯曲层合板的翘曲变形量可降低30%以上,为层合板的高效、高精度和高性能激光弯曲成形提供了理论依据。本文围绕激光弯曲不锈钢-碳钢层合板弯曲精度问题,建立了激光弯曲层合板弯曲角度解析模型和考虑过渡层的有限元模型,提出了抑制翘曲变形的局部能量补偿法和线型激光同时加载方法,加工出高精度的45°两周期槽型样件,实现对激光弯曲不锈钢-碳钢层合板的高精度成形。


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