[发明专利]多点激光冲击成形的有限元模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及多点激光冲击成形技术领域，尤其是一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法。

背景技术

激光冲击成形是一个新型的激光应用领域，凭借快速敏捷的塑性精确成形发展而来的一种全新的零件成形工艺技术，在获取所需形状零件的同时在零件表层还能产生具有一定厚度的残余压应力。激光冲击成形是利用高功率密度、短脉冲的激光器，通过特定的光学元件形成相应的激光光斑光束，该光束透过流动的水约束层照射到吸收层上，吸收层吸收激光能量发生气化产生蒸汽，蒸汽在约束层水的约束情况下，继续吸收激光能量形成等离子体冲击波，由于约束层的作用，等离子体冲击波产生向零件内部传播的应力波，当产生的应力超过材料的动态屈服强度时，零件产生宏观塑性变形。

为了获得所需形状的激光冲击成形零件，需要对激光冲击工艺参数进行优化，然而由于多点激光冲击成形机理的复杂性以及成形中诸多可变因素的影响，使得在优化工艺参数上存在很大困难。如果仅依靠实验数据和操作经验来确定工艺参数，则将花费大量的人力、物力和时间，增加制造成本。在对大型零件的激光冲击成形时，更是如此。通过充分利用材料的成形性能和零件的结构特征，结合有限元模拟计算，来挖掘新的成形工艺方法。因此将有限元模拟引入到多点激光冲击成形中，对激光冲击成形工艺参数进行优化。在实际操作中，由于光斑尺寸很小，成形的零件一般尺寸比较大，激光冲击成形过程中所需光斑的数量成千上万，同时在激光冲击区域网格还需要进行细化，这样有限元模拟的计算量将非常巨大，受到计算成本的限制，现在迫切需要一种新型的多点激光冲击成形有限元模拟方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，采用理论与有限元模拟相结合的方法，在较少的时间内确定多点激光冲击成形所需的工艺参数，从而花费较少的成本即可建立起激光冲击成形工艺参数与所需零件形状之间的关系。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多点激光冲击成形的有限元模拟方法，包括如下步骤：

(1)采用有限元模拟软件ABAQUS首先对具有一定尺寸的特征单元体进行多点激光冲击模拟，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σ_TOT；

(2)由理论公式σ_LSP＝σ_TOT-σ_EQ，得到由激光冲击诱导产生的残余应力σ_LSP厚度方向分布；σ_EQ为平衡应力；

(3)在Matlab中对激光冲击诱导产生的残余应力σ_LSP厚度方向分布数据进行拟合，得到σ_LSP在厚度方向分布的拟合函数；

(4)在ABAQUS中利用用户子程序SIGINI来定义初始应力场，进而对具有实际分析几何尺寸的零件进行隐式分析，最后获得特定激光冲击工艺参数作用下所需的零件形状。

优选的，步骤(1)中，多点激光冲击模拟具体包括如下步骤：

(11)建立几何模型及定义材料属性；

(12)设置显式分析步；分析步的时间应确保在每个分析步中动能最后趋近于0；

(13)施加载荷和划分网格；

(14)提交分析作业及后处理；完成有限元计算，获得厚度方向不同位置总的残余应力分布σ_TOT，其中厚度方向为Z轴方向，总的残余应力分布σ_TOT包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σ_TOT,XX和Y轴向的应力σ_TOT,YY。

优选的，步骤(11)中，采用如下模型来描述TC4钛合金的动态本构关系；

式中：A为屈服强度，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，ε_p代表等效塑性应变，代表参考应变速率，代表动态应变率。

优选的，步骤(1)中，具有一定尺寸的特征单元体与实际多点激光冲击成形零件在厚度方向具有相同尺寸，长宽尺寸比实际多点激光冲击成形零件小。

优选的，步骤(2)中的由激光冲击诱导产生的残余应力σ_LSP厚度方向分布，其中厚度方向为Z轴方向，σ_LSP包括两个方向的残余应力，分别为X轴向的应力σ_LSP,XX和Y轴向的应力σ_LSP,YY。