学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

激光冲击钛合金改善疲劳寿命的模拟与实验研究

作　者: 桑毅
导　师: 陈瑞芳
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 激光冲击强化钛合金疲劳寿命残余应力场数值模拟
分类号: TG665
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 46次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

激光冲击强化技术是一种利用高功率短脉冲激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波的力效应来改善金属机械性能的一种表面改性技术,可使材料产生塑性变形、残余压应力、以及高密度位错等,能有效地提高了材料疲劳强度。在航天、汽车等现代制造领域具有广阔前景。本文从激光冲击波诱导残余应力场的机理出发,对激光冲击强化钛合金残余应力场进行了实验研究和数值模拟,并研究了残余应力场对小孔件疲劳性能的影响以及疲劳寿命预测方法,取得如下研究成果。根据弹塑性动力学理论,探讨了激光冲击波的产生和传播机理,残余应力场的形成和估算方法。以ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了激光冲击强化钛合金的三维和准二维有限元分析模型,阐述了激光冲击强化数值模拟的有限元理论基础,讨论了建模过程中的几个关键问题,获得了冲击后残余应力场的分布。针对激光功率密度对残余应力场的影响进行了数值模拟研究,模拟结果表明:在激光功率密度超过一定阈值后,最大残余压应力出现在表层之下,且随着功率密度增加,表面残余压应力不断降低直至出现残余拉应力。阐述了局部应力应变法的原理,应力集中与疲劳强度因子k_f的概念。收集并分析2024铝合金,7050铝合金的激光冲击与疲劳实验,讨论了激光冲击对缺口疲劳的影响。结果表明:激光冲击后,冲击区表面质量对疲劳寿命改善效果影响很大,尤其是表面粗糙度的影响。粗糙度明显改善时,寿命可提高6～9倍,无明显改善时,只能提高2～3倍。对于同样冲击效果的试件,不同的疲劳载荷水平会影响到寿命增幅。当疲劳加载水平高时,寿命提高幅度会变小,这可能与残余应力松弛有关。激光冲击改变屈服强度和弹性模量并引起晶粒细化,均对疲劳裂纹的扩展有很好的抑制作用。建立缺口件有限元模型,对激光冲击前后的钛合金小孔件模型进行了疲劳加载模拟与寿命预测,分别使用平面应变下缺口根部应力结果和非平面应变下缺口根部中间位置应力结果预测疲劳寿命,前者得到的寿命预测值要高于后者,冲击后的寿命是冲击前的1.9～3.3倍。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-20
  1.1 引言  13
  1.2 激光冲击强化技术的基本原理  13-14
  1.3 激光冲击强化技术的发展概况  14-16
    1.3.1 激光冲击强化技术的国外发展概况  14-15
    1.3.2 激光冲击强化技术的国内发展概况  15-16
  1.4 钛合金的应用  16-17
  1.5 抗疲劳制造的基本思想与方法  17-18
  1.6 课题研究背景及主要研究内容  18-20
    1.6.1 课题研究背景  18-19
    1.6.2 本课题研究内容  19-20
第二章激光冲击波与残余应力场  20-26
  2.1 激光冲击波的形成机制  20-21
    2.1.1 激光与物质的相互作用  20-21
    2.1.2 激光冲击波的产生  21
  2.2 激光冲击波在材料中的传播  21-23
  2.3 残余应力场的形成与估算  23-25
    2.3.1 残余应力场的形成  23-24
    2.3.2 残余应力场的估算  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 TC4钛合金的激光冲击模拟与实验研究  26-45
  3.1 LS-DYNA中动力学有限元方程的求解算法  26-28
  3.2 激光冲击强化TC4钛合金残余应力场的数值模拟  28-38
    3.2.1 激光冲击强化的三维模拟  28-35
    3.2.2 激光冲击强化的准二维模拟  35-38
  3.3 激光冲击峰值压力对残余应力的影响  38-42
  3.4 激光冲击实验  42-44
    3.4.1 实验装置  42-43
    3.4.2 实验参数  43
    3.4.3 残余应力测试结果  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章激光冲击改善疲劳寿命的模拟与实验  45-69
  4.1 局部应力应变法简介  45-46
  4.2 疲劳缺口系数K_F的计算  46-49
    4.2.1 缺口应力集中  46-47
    4.2.2 k_f的计算方法  47-49
  4.3 缺口件局部应力应变的有限元分析  49-52
  4.4 激光冲击强化对疲劳行为的影响分析  52-55
    4.4.1 激光冲击对裂纹萌生的影响  52-53
    4.4.2 激光冲击对裂纹扩展的影响  53-54
    4.4.3 激光冲击对疲劳寿命改善的实验结果分析  54-55
  4.5 激光冲击与疲劳问题模拟的基本思想  55-59
    4.5.1 激光冲击模拟的关键问题  56
    4.5.2 残余应力场结果导入  56-57
    4.5.3 疲劳加载模拟  57
    4.5.4 关键节点的寿命预测  57-59
  4.6 TC4钛合金的冲击与疲劳寿命预测模拟  59-68
    4.6.1 激光冲击模拟  59-60
    4.6.2 疲劳加载模拟  60-62
    4.6.3 疲劳寿命预测  62-67
    4.6.4 模拟结果分析  67-68
  4.7 本章小结  68-69
第五章总结与展望  69-71
  5.1 总结  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
在读学位期间发表的论文  76

激光冲击钛合金改善疲劳寿命的模拟与实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文