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基于数值模拟的激光喷丸诱导残余应力场及其疲劳裂纹扩展特性研究

作　者: 赵建飞
导　师: 周建忠
学　校: 江苏大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 激光喷丸强化 残余应力 裂纹扩展 统计优化 Taguchi方法
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


受控激光喷丸强化诱导的残余应力场,能够抑制疲劳过程中的裂纹萌生和扩展,从而显著提高材料的抗疲劳性能。本文采用有限元分析的方法,针对激光喷丸诱导残余应力场的过程及其残余应力场下的疲劳裂纹扩展性能进行了初步研究。主要工作如下:分析了激光喷丸强化后材料表面完整性的变化对于疲劳裂纹萌生以及裂纹扩展的影响,根据表面完整性中各因素对疲劳性能的影响大小,重点分析了残余应力场下的疲劳裂纹扩展性能。在此基础上,采用有限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue相结合,建立了激光喷丸强化后残余应力场下的疲劳性能分析方法,为进一步评估激光喷丸强化后的抗疲劳效果提供了有效方法。以ABAQUS软件为平台对激光喷丸强化过程进行建模,数值模拟了激光喷丸强化过程中的应力应变的动态变化过程,探讨高幅值冲击波压力加载下金属材料的力学响应及其诱导残余应力生成的机理,分析了喷丸后残余应力的大小和分布。利用单联中心孔疲劳试件的简化模型对静态加载以及不同工艺参数下的应力场进行了分析,为后续的疲劳裂纹扩展分析提供了应力分布结果。利用MSC.Fatigue软件中基于断裂力学的疲劳裂纹扩展分析模块,针对激光喷丸后残余应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行了分析,探讨了激光喷丸强化提高材料抗疲劳性能的原因;利用Taguchi方法进行试验设计,以获得最大疲劳裂纹扩展寿命为目标,通过信噪比分析和方差分析确定了各因素对疲劳裂纹扩展寿命影响的显著性程度,从中筛选出较优的影响因子水平,对参数变化引起的残余应力以及疲劳裂纹扩展效果进行了评估,为激光喷丸强化后疲劳裂纹扩展性能预测提供了尝试性的方法。以6061-T6铝合金材料为研究对象,对激光喷丸强化后的残余应力和表面形貌等进行了实验研究,表明有限元分析结果较好的与实验结果符合,验证了激光喷丸强化有限元分析模型的有效性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 激光喷丸强化技术的研究  9-14
    1.1.1 激光喷丸的原理  9-10
    1.1.2 激光喷丸的特点与优势  10
    1.1.3 国内外研究进展与现状  10-14
  1.2 数值模拟技术及其在激光喷丸后疲劳分析中应用  14-16
    1.2.1 激光喷丸强化数值模拟的研究意义  14-15
    1.2.2 激光喷丸数值模拟的关键技术  15-16
  1.3 本文研究主要内容  16-17
第二章 激光喷丸强化后疲劳特性的理论分析  17-28
  2.1 疲劳裂纹扩展理论与规律  17-20
    2.1.1 疲劳裂纹扩展理论和规律  17-19
    2.1.2 疲劳裂纹扩展的规律以及影响因素  19-20
  2.2 激光喷丸抗疲劳机制  20-25
    2.2.1 激光喷丸对材料表面完整性的影响  20-22
    2.2.2 激光喷丸诱导的残余应力对于疲劳裂纹抑制效果的作用  22-25
  2.3 激光喷丸强化后疲劳效果预测模型的建立  25-26
    2.3.1 激光喷丸疲劳裂纹扩展的有限元分析  25-26
    2.3.2 基于Minitab统计分析软件的激光喷丸参数影响分析  26
  2.4 本章小结  26-28
第三章 激光喷丸强化诱导残余应力的有限元分析与实验  28-43
  3.1 ABAQUS软件简介  28-30
  3.2 激光喷丸强化过程建模分析  30-34
    3.2.1 几何建模与网格划分  30-31
    3.2.2 激光喷丸强化的压力模型  31-34
  3.3 残余应力的有限元分析结果  34-38
    3.3.1 激光冲击波的传播  34-36
    3.3.2 激光喷丸强化过程中的材料应变  36-37
    3.3.3 激光喷丸强化后的残余应力场  37-38
  3.4 激光喷丸强化试验  38-42
    3.4.1 实验设备与仪器  38-39
    3.4.2 强化工艺  39
    3.4.3 激光喷丸强化后实验数据的采集  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章 激光喷丸的抗疲劳效果分析  43-62
  4.1 疲劳分析软件介绍与原理  43-44
    4.1.1 MSC.Fatigue软件简介  43
    4.1.2 疲劳裂纹扩展分析原理  43-44
  4.2 激光喷丸疲劳寿命分析参数化设计与选择  44-48
    4.2.1 主菜单作业参数设置  45
    4.2.2 试样初始裂纹尺寸的确定  45
    4.2.3 材料信息  45-46
    4.2.4 载荷信息  46-47
    4.2.5 几何信息  47-48
  4.3 激光喷丸件的疲劳数值分析  48-53
  4.4 激光喷丸参数对于疲劳裂纹扩展影响的统计分析  53-61
    4.4.1 影响疲劳裂纹扩展分析参数的选择  53
    4.4.2 选择正交表和实验安排  53-54
    4.4.3 实验及其统计分析结果  54-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章 总结与展望  62-64
  5.1 总结  62-63
  5.2 展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表的论文  68

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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