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激光冲击处理40Cr钢及其残余应力场数值模拟

郭乃国  
【摘要】: 激光冲击处理技术是利用高功率密度、短脉冲激光束辐射金属材料,使材料表面涂层迅速汽化形成等离子体并膨胀爆炸产生高压冲击波,该冲击波使材料表层显微组织发生改变,并在材料表层形成高残余压应力,从而提高金属材料表面硬度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳等力学性能的一种新型表面改性处理技术。激光冲击强化处理无需改变材料的表面化学成分,而可使材料的表面性能得到有效强化,尤其是能够大幅提高金属材料的疲劳寿命,在航空航天、汽车、内燃机、工程机械等现代制造业领域具有广阔的应用前景。 本文论述了激光冲击处理中的激光冲击波特性;从塑性动力学、应力波理论出发,分析了激光冲击波作用下材料的本构关系,分析了典型激光冲击波在材料中的传播过程。分析了激光冲击处理对40Cr钢表面显微硬度、残余应力的影响:激光冲击处理40Cr钢实验结果表明激光冲击处理能使40Cr钢表层显微组织中产生高密度位错,提高了40Cr钢表面显微硬度,并使40Cr钢表层获得高的残余压应力。基于激光冲击处理40Cr钢的实验结果,采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理残余应力场进行三维数值模拟;分析了在ANSYS环境下建立激光冲击处理有限元模型的几个主要问题处理方法;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析模型,实现了激光冲击40Cr钢残余应力场的数值模拟。从模拟过程中的应力波传播、模型各种能量变化出发,分析验证了模拟过程的合理性;讨论了40Cr钢残余应力场的数值模拟结果,部分实测残余应力数据与模拟数据对比表明两者之间有着较好的一致性。模拟研究了激光冲击参数(激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸)对激光冲击处理40Cr钢残余应力场的影响;选用P.Ballard对35CD4钢激光冲击处理研究的实验以及残余应力测量数据,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了激光冲击35CD4钢的残余应力场,将35CD4钢表面和深度方向上的实测残余应力数据与模拟数据比较,发现实验测量数据与模拟数据同样有着较好的一致性。


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