[发明专利]一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法

说明书

本发明涉及一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，包括以下步骤：分别测量激光冲击强化的约束层厚度、激光输出实际能量和光强分布，得到光强分布曲线；根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值；根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得冲击波空间压力分布模型；将冲击波空间压力模型导入到有限元分析软件，得到材料的残余应力整体分布。本发明采用能量计和光束质量分析仪测量激光参数，利用光束质量分析仪所得到的光强分布参数建立相关模型，使得仿真中冲击波压力分布与实际光强分布精确一致，因此相比于传统方法，可以较大幅度提高残余应力预测的准确性，工程应用前景良好。

技术领域

本发明是一种利用白光共焦位移传感器、光束质量分析仪、能量计等检测装置精确测量激光冲击强化加工参数，建立相关的数学模型，并将此模型导入到有限元分析软件中精确预测激光冲击强化后的残余应力场。本发明与传统激光冲击强化有限元预测方法相比有较高的精度，更有利于工程运用。

背景技术

激光冲击强化技术是一种高效利用激光诱导等离子体冲击波的表面改性技术，其强化原理是用高功率短脉冲的激光轰击金属材料表面的吸收层，吸收层材料吸收激光能量在很短时间内气化电离成等离子体状态，该等离子体会继续吸收能量并快速膨胀。由于受到外层约束层的约束，等离子体形成的高压冲击波向基体内部传播。冲击波的力学效应在材料表层处产生塑性变形，使表层材料微观组织发生变化，并能形成较深的残余压应力层，从而显著提高金属材料疲劳寿命和耐腐蚀、抗磨损性能。由于近三十年来计算机技术的快速发展，许多根据有限元理论研制的仿真软件进入了科研和工程技术人员的视野。在激光冲击强化领域，采用数值模拟对材料残余应力场进行预测相较传统实验手段来讲极大地节约了时间和成本。

现有仿真中的冲击波压力模型多为一维冲击波压力模型，如Fabbro模型。在基于一维冲击波压力模型的前提下，大多数学者使用以下两种冲击波压力空间分布模型1、高斯分布模型。2、平顶分布模型。两种模型较为简单，不足以与实际激光器光强分布相一致，这使得激光冲击强化仿真中存在一定误差，限制了仿真技术在激光冲击强化的实际工程应用。因此迫切需要一种基于实际光强分布的数值模拟预测残余应力场的方法，从而提高数值计算精度，建立工艺库的同时节约工艺试验成本。

发明内容

本发明针对现有激光冲击强化数值模拟准确性较低的问题，提出一种利用白光共焦位移传感器、光束质量分析仪、能量计等检测装置精确测量激光冲击强化加工参数，建立相关的数学模型，并将此模型导入到有限元分析软件中精确预测激光冲击强化后的残余应力场。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光冲击强化诱导残余应力场精确预测方法，包括以下步骤：

1)分别测量激光冲击强化的约束层厚度、激光输出实际能量和光强分布，得到光强分布曲线；

2)根据约束层厚度、实际能量和Fabbro模型计算冲击波压力峰值；根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线，从而获得冲击波空间压力分布模型；

3)将冲击波空间压力模型导入到有限元分析软件，得到材料的残余应力整体分布。

所述根据光强分布曲线建立压力数学模型，得到与光强分布曲线接近的冲击波压力分布曲线包括以下步骤：

选择参数a，b的值带入压力数学模型中，压力数学模型通过拟合得到冲击波压力分布曲线，该曲线与步骤1)得到的光强分布曲线最接近时，该曲线即为最终的冲击波压力分布曲线。

所述最接近具体为：

冲击波压力分布曲线的参数与对应的光强分布曲线的参数之间的误差最小；

光强分布曲线的参数依次为：光强为最大光强的90％以上的作用范围、光强为最大光强的10％以上的作用范围、光强为最大光强的50％以上的作用范围；