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激光冲击诱导残余应力下裂纹扩展的数值仿真及实验分析

作　者: 周立春
导　师: 张永康
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 激光冲击处理 残余应力 裂纹扩展 疲劳寿命 数值模拟
分类号: TG113
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


激光冲击处理(LSP:laser shock processing)是一种新型的表面强化技术,目前已被广泛应用于材料表面改性的研究。激光冲击处理获得的残余压应力层有很好的阻止裂纹萌生和扩展的能力,从而延长材料的疲劳寿命。TC4钛合金、2024T62铝合金作为重要的航空结构材料,为有效提高其疲劳寿命,对其进行激光冲击处理研究具有非常重要的意义。本文从激光冲击诱导残余应力的机理出发,对激光冲击处理合金产生的残余应力场进行了数值模拟研究,并将模拟结果和试验结果进行了对比。在此基础上,通过导入激光冲击诱导的残余应力场,对激光冲击作用下裂纹的扩展进行了数值仿真分析。论文研究的主要内容如下:以ABAQUS为平台,建立了激光冲击处理合金的有限元分析模型。讨论了建模过程中的几个关键问题。对激光冲击参数对残余应力场的影响进行了重点研究。结果表明:在激光功率密度小于一定阀值时,表面残余压应力最大值随着激光功率密度增加而增加;超过阀值之后,随着激光功率密度增加,残余压应力最大值逐渐向亚表层扩展且残余压应力层深度逐渐增加;多次冲击强化对残余应力场的改善主要体现在残余压应力峰值及压应力层深度的增加上。随着冲击次数的增加,应力值大小及压应力层深度趋于饱和。将数值模拟结果与试验结果进行比较,发现两者吻合。在激光冲击产生残余应力场已有研究基础上,以FRANC2D/L为平台,通过导入残余应力场,建立了激光冲击作用下裂纹扩展的分析模型。对激光冲击产生残余应力场对裂纹扩展的影响进行了重点研究。分析结果表明:激光冲击产生的残余应力场对裂纹扩展具有抑制作用,可以大大提高零部件的疲劳寿命。经激光冲击处理过的疲劳试样其裂纹扩展速率明显降低。将分析结果与已存在试验结果进行了比较,两者吻合较好。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 激光冲击处理的机理  11-12
  1.3 激光冲击数值模拟的发展  12-14
  1.4 激光冲击处理对裂纹扩展的影响  14-15
  1.5 研究内容  15-18
第二章 激光冲击过程理论分析及断裂力学基本理论  18-30
  2.1 金属材料和激光的相互作用  18-21
    2.1.1 金属材料对激光能量的吸收和反射  18-19
    2.1.2 激光对材料的加热  19-21
  2.2 激光冲击处理的物理模型  21-22
  2.3 激光冲击波的形成机理  22-24
    2.3.1 等离子体的形成和特性  22-23
    2.3.2 等离子体与激光能量的作用  23
    2.3.3 激光冲击波的形成  23-24
  2.4 激光冲击波作用下材料的动态响应  24-26
  2.5 断裂力学基本理论  26-28
    2.5.1 裂纹尖端弹性应力场理论  26-27
    2.5.2 COD理论  27-28
  2.6 本章小结  28-30
第三章 激光冲击诱导残余应力场的数值分析  30-46
  3.1 ABAQUS软件简介  30-31
  3.2 有限元模型的建立  31-36
    3.2.1 有限元分析模块的选择  31-33
    3.2.2 材料的本构模型  33
    3.2.3 网格划分  33-35
    3.2.4 边界条件的定义及冲击波的加载  35-36
  3.3 模拟结果与分析  36-44
    3.3.1 求解时间的确定  36-38
    3.3.2 残余应力场分析  38-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章 激光冲击试验研究  46-58
  4.1 激光冲击处理试验设备及试样制备  46-49
    4.1.1 试验采用的仪器和装置  46-48
    4.1.2 试样制备  48-49
  4.2 激光冲击区域的残余应力分布  49-54
    4.2.1 测试方法及设备  50-51
    4.2.2 残余应力测试结果  51-54
  4.3 疲劳断口试验分析  54-56
  4.4 本章小节  56-58
第五章 FRANC2D/L裂纹模拟分析  58-74
  5.1 FRANC2D/L软件  58-60
  5.2 裂纹扩展模型的建立  60-64
    5.2.1 模型的建立  60-61
    5.2.2 算例分析  61-64
  5.3 激光冲击作用下裂纹扩展的数值模拟  64-72
    5.3.1 残余应力场的引入  64-65
    5.3.2 模拟分析  65-69
    5.3.3 残余应力对裂纹的影响机理  69-72
  5.4 本章小节  72-74
第六章 总结与展望  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-82
攻读硕士学位期间发表的论文与专利  82

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金相学（金属的组织与性能）
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