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《上海交通大学》 2007年
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激光弯曲成形的精度控制研究

沈洪  
【摘要】: 激光弯曲成形技术源于造船行业的水火弯板技术,它是一种非接触、无模成形技术,通过局部高温加热实现对常温下难变形材料的成形,还可利用直线与曲线的组合扫描方式实现复杂三维曲面的成形。因此,激光弯曲成形技术在航空航天、船舶和微电子等领域具有重大的应用前景。 本文围绕激光弯曲成形中的成形精度问题,开展了激光弯曲成形角度数学模型和“边界效应”现象两方面的研究,引出了弯曲角度解析模型、弯曲角度数值模型、有限元计算模型、实验研究、变速度扫描和成形后材料力学性能的六大研究内容;综合传热学、弹塑性力学和金相学等多学科的理论,利用理论计算、数值模拟和实验测试等研究方法,解决了激光弯曲成形中的弯曲角度数学模型和“边界效应”现象的两大关键问题。 从传统固体力学的平衡方程和相容性关系出发,结合激光扫描产生的板料厚度方向稳态温度分布数学模型,综合考虑激光弯曲成形加热阶段的塑性变形和冷却阶段的弹性变形,引入板材塑性变形区域深度和材料屈服强度影响因子的两个新参数,建立了温度梯度机理下激光直线扫描弯曲角度的解析模型,该模型计算结果与实验数据吻合度较好,而且计算精度优于其它解析模型。 针对激光弯曲成形加、卸载并存的特点,基于半无限大固体热传导方程,推导了有限厚度板料的高斯激光热源加热瞬态温度场模型;根据所建温度场的数学模型,采用塑性增量理论,考虑加卸载的历史过程,建立了激光弯曲成形过程中弹性和塑性加载和卸载的力学模型;利用传统力学平衡方程,结合材料力学性能与温度的变化关系,推导了激光扫描区域的变形曲率,建立了基于塑性增量理论的弯曲角度数值模型。该数值模型不仅适合温度梯度机理的变形角度计算,还可用于预测屈曲机理以及两者共同作用下的弯曲角度。 分析了激光弯曲成形温度场和变形场有限元计算的基本理论,利用通用有限元计算软件ANSYS平台,通过对几何模型、网格模型、材料特性、载荷以及边界条件等方面的具体分析,建立了激光弯曲成形温度场和变形场的有限元计算模型;通过对激光弯曲成形有限元模型计算的应力场和应变场分析发现:在激光扫描区域存在大量的横向压应变,而纵向应变很小;横向应力在扫描线中间部分几乎没有,在两端为残余压应力,而纵向残余应力为拉应力。激光弯曲成形中沿扫描线的非均匀温度场和变几何约束分布,导致了扫描线开始端、结束端以及扫描线中部这三个区域的应力和应变的变化趋势和程度不尽相同,表明了激光弯曲成形是非对称变形。 利用二氧化碳激光加工系统,结合激光弯曲成形的特点,建立了温度场和变形场的测试系统;利用热电偶测量不同激光功率下的温度场数据,结合激光弯曲成形温度场有限元模型计算结果,推算出了板料扫描表面涂层的吸收系数,并验证了温度场有限元模型的可靠性;基于激光位移传感器采集不同激光功率、扫描速度、扫描线位置以及扫描间隔时间下的板料变形数据,验证了变形场有限元计算模型的可靠性。重点通过对不同扫描间隔时间下的两次扫描研究发现:在较短间隔时间下,板料产生的弯曲角度较大;而当间隔时间达到一定时,对板料的变形角度基本没有影响。 通过分析不同能量输入(扫描速度)和几何约束(扫描线位置)下弯曲角度的变化规律,揭示激光弯曲成形中存在的“边界效应”现象;通过探索激光弯曲成形中沿扫描线的温度场分布和几何约束变化,寻求产生“边界效应”现象的根源;为减小“边界效应”现象,结合相应的产生原因,提出了变速度扫描的新工艺方法。根据激光恒速度扫描的有限元建模思想,通过改变激光束与板料有限元单元的作用时间,建立了变速度扫描的有限元模型;利用数值模拟和实验手段,结合温度场和变形场的内在联系,引出了加速扫描、减速扫描、先加后减速扫描以及阶梯式变速度扫描等扫描方式,通过比较上述扫描方式下的弯曲角度变化规律,确立了阶梯式变速度扫描的优化扫描方式,有效地降低了激光弯曲成形中的“边界效应”现象。 分析了经过不同激光加工工艺参数处理的材料拉伸性能的变化规律,建立了成形后材料的弹塑性应力-应变本构模型;通过静态拉伸试验发现,经过激光处理后材料的屈服强度和抗拉强度是增强的,而延伸率是降低的;利用数理统计方法,确定了满足试验精度要求的疲劳试样最小量;针对激光弯曲成形后残余应力和残余应变共存特点,通过低周疲劳试验研究,揭示不同工艺参数组合下的低周疲劳寿命变化规律;利用扫描电镜对疲劳断口的显微观测,结合材料金相组织分析,揭示成形后材料疲劳断裂机理。 本文立足激光弯曲成形的精度控制研究,从激光弯曲成形角度的数学模型和“边界效应”现象入手,建立了弯曲角度的解析和数值模型,提出了变速度扫描的新工艺方法,实现对激光弯曲成形精度的有效控制。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG665

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