[发明专利]激光冲击强化的有限元模拟方法

说明书

本发明公开了一种激光冲击强化的有限元模拟方法，包括步骤：在ABAQUS中建立三维模型，设置材料性能参数，采用Johnson‑Cook本构方程，设置动态显式分析步并使得在每个分析步中靶材内部塑性变化达到最大值，同时动能最后趋近于0；对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，实现载荷的施加；网格划分，在激光冲击强化区域进行网格细化；创建分析作业进行Explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布。本发明提供的激光冲击强化的有限元模拟方法，具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，工程应用前景好。能够方便快捷的对多光斑的激光冲击强化进行模拟，从而对参数优化提供可靠依据。

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，更具体地说，涉及一种激光冲击强化的有限元模拟方法。

背景技术

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化手段，它是通过高功率密度(GW/cm²量级)、脉冲宽度(ns量级)的激光束通过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收涂层，涂层材料吸收激光能量迅速气化，形成高温、高压的等离子体，该等离子体受到约束层的作用对金属表面产生高强度的冲击波。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表层产生塑性应变，激光作用结束时，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，残余压应力的存在引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长零件的寿命。

三维平顶高斯光束是一类光能量空间分布具有一均匀平顶区域的激光，其冲击强化过程由于机理复杂同时受到多种可变因素的影响，给激光冲击强化工艺参数的优化带来很大困难。单单依靠实验数据和操作经验采用多次尝试的方法，需要耗费大量的时间和资金。进而有限元模拟方法被用来辅助激光冲击强化工艺参数的选择，同时通过分析应力应变和位移的变化来解释强化机理。在有限元模拟方面Braisted和Brockman首次采用ABAQUS/Explicit+ABAQUS/Implicit的方法进行了激光冲击强化的模拟，后人也大多采用这种有限元模拟方法，但是对于多光斑激光冲击强化时，这种方法不但耗时而且需要不断将每个光斑显式分析的结果带入隐式分析中去，直到所有的光斑都分析结束，同时针对不同工艺参数(光斑半径、搭接率、冲击路线等)，需要建立多次分析模型，因此迫切需要一种改进的有限元模拟方法对多光斑的激光冲击强化进行模拟分析。

综上所述，如何有效地解决多光斑的激光冲击强化参数优化困难等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种激光冲击强化的有限元模拟方法，该激光冲击强化的有限元模拟方法可以有效地解决多光斑的激光冲击强化参数优化困难的问题。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光冲击强化的有限元模拟方法，包括步骤：

在ABAQUS中建立三维模型，设置材料性能参数，采用Johnson-Cook本构方程，设置动态显式分析步并使得在每个分析步中靶材内部塑性变化达到最大值，同时动能最后趋近于0；

对多光斑的激光冲击时间和位置分布进行子程序编辑，实现载荷的施加；

网格划分，在激光冲击强化区域进行网格细化；

创建分析作业进行Explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布。

优选地，上述有限元模拟方法中，所述网格划分，在激光冲击强化区域进行网格细化，具体包括：

激光冲击强化区域采用单元类型C3D8R进行网格细化，并将激光冲击靶材的边界区域设置为无限单元并采用C3D8进行网格划分；

所述创建分析作业进行Explicit求解，获得残余应力场和位移变形分布，具体包括：