碩士論文答辯PPT

1、緒論緒論一、激光強化基本理論與葉片模態(tài)分析激光強化基本理論與葉片模態(tài)分析二、葉片激光沖擊強化建模與殘余應力仿真葉片激光沖擊強化建模與殘余應力仿真三、葉片激光沖擊參數(shù)及工藝方案的優(yōu)化葉片激光沖擊參數(shù)及工藝方案的優(yōu)化四、葉片激光沖擊強化殘余應力實驗分析葉片激光沖擊強化殘余應力實驗分析五、總結與展望總結與展望六、總綱總綱一、緒論 本課題來源于陜西省自然科學基金項目：合金材料激光沖擊強化研究（2010JM6012）。 航空發(fā)動機是飛機的動力裝置，為其提供飛行推力，被譽為飛機的“心臟”。葉片是發(fā)動機氣流通道的主要部件，在高溫高速下工作，承受著復雜的循環(huán)熱載荷及機械載荷，一旦發(fā)生破壞性故障將導致極其嚴重的

2、后果。為保障發(fā)動機和飛機在服役期間的穩(wěn)定性和可靠性，迫切需要有效地手段來提高發(fā)動機葉片的強度和疲勞壽命。美國成功的運用激光沖擊強化技術對發(fā)動機進行表面改性，提高其結構抗力，并將其列為四代戰(zhàn)機發(fā)動機80項關鍵技術之一。激光沖擊強化（Laser Shock Peening，簡稱LSP）是新興的表面冷處理技術，利用高功率密度（109w/cm2）短脈沖（ns級）激光束對有約束層和吸收層的工件表面進行輻照，吸收層吸收激光能量后發(fā)生爆炸蒸發(fā)氣化，在約束層的作用下產生高壓的等離子體沖擊波，沖擊波對工件表面進行高壓沖擊強化，在沖擊區(qū)域表面形成穩(wěn)定的殘余壓應力場，起到提高工件抗疲勞強度、耐磨性和防腐蝕性能的冷表

3、面處理工藝。1.研究背景意義研究背景意義與傳統(tǒng)的噴丸、滾壓等強化技術相比，激光沖擊強化技術具有以下優(yōu)點：(1) 通過高功率密度激光對工件表面進行強化可獲得比普通強化技術高出將近十 倍的表面殘余壓應力，殘余壓應力層的深度是普通工藝的兩到三倍。(2) 激光沖擊強化是一種新興的技術，對工件表面進行強化過程中無需與工件接 觸，因此可以通過調整激光設備參數(shù)實現(xiàn)對復雜形狀不同材料的零部件進行表面強化。(3) 激光沖擊強化對環(huán)境的適應性強，不會對工件造成腐蝕損傷，相比傳統(tǒng)工藝能夠獲得良好的表面形貌。2.2.國內外研究進展國內外研究進展 早在20世紀60年代，隨著高功率密度激光能夠產生高壓沖擊波的能力被發(fā)現(xiàn)后

4、9，許多學者們開始了激光在許多領域的研究，包括改變材料的性能10，用激光進行金屬薄板的切割成形11以及爆炸方面12的研究等。由于高的爆轟波壓力能夠獲得高的沖擊波，Anderhlom14首次采用約束層的方法建立了了獲得高壓爆轟波的模型。Fairand和Clauer15,16致力于激光沖擊強化的過程以及材料對沖擊波的動態(tài)響應的研究，研究采用不同材料的吸收層對爆轟波峰壓力的影響，并成功將該技術應用到緊固件接口處疲勞強度的提高方面。美國MIC公司通過建立齒輪模型如圖所示，仿真模擬齒輪經激光沖擊強化后殘余應力場的分布情況，通過實驗對比分析仿真結果與實驗結果，齒輪激光沖擊強化后能夠有效地提高其抗疲勞磨損能

5、力8。齒輪激光沖擊強化仿真結果20世紀90年代，國內研究者開始了激光沖擊強化的理論和實驗研究，1992年南京航空航天大學對航空鋁合金2024T63的激光沖擊強化實驗研究，研究成果進一步驗證了激光沖擊能夠有效提高材料的疲勞壽命22。空軍工程大學于2003年開始激光沖擊強化機理和相關實驗的研究，成功搭建了用于航空發(fā)動機葉片強化的YAG激光實驗裝置，致力于研究激光沖擊參數(shù)對葉片疲勞、耐腐蝕等強度的影響。3.3.發(fā)展動態(tài)分析發(fā)展動態(tài)分析工件進行激光沖擊強化的目的是為了提高其抗疲勞，耐磨損等性能。為了能精確評價激光參數(shù)對工件性能的影響，需要從兩個階段來實現(xiàn)，第一個階段是建立激光沖擊參數(shù)和殘余應力場之間的

6、對應關系，第二個階段是工件的性能與殘余應力場的對應關系。目前大多數(shù)的激光沖擊強化數(shù)值模擬研究僅局限于規(guī)則形狀的簡單幾何形體模型，且涉及的激光控制參數(shù)較少，仿真得到殘余應力場還不夠，還需要建立算法模型來評價殘余應力對工件的綜合性能的影響程度，這一算法能夠建立激光沖擊參數(shù)和工件疲勞性能的對應關系，最終得到對任意工件疲勞性能改善的最優(yōu)工藝參數(shù)。n激光沖擊強化機理及材料動態(tài)響應本構關系的研究n模態(tài)理論研究與鈦合金葉片模態(tài)分析n鈦合金葉片激光沖擊強化模型的建立及關鍵問題討論n激光沖擊參數(shù)對殘余應力影響和參數(shù)的正交實驗優(yōu)化n搭接率及沖擊方式對殘余應力的影響n葉片激光沖擊強化殘余應力實驗分析4.4.研究內容

7、研究內容1.激光沖擊強化原理激光沖擊強化原理 激光沖擊強化技術，簡稱LSP技術，原理是強激光脈沖輻照在物質表面上產生等離子體，等離子體進一步吸收激光能量，爆炸形成強爆轟波，當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度時，材料表層就產生應變硬化，殘留很大的壓應力，同時微觀組織發(fā)生很大的變化，可顯著提高材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕等性能。沖擊原理如圖所示。圖 激光沖擊強化原理二、激光強化基本理論與葉片模態(tài)分析激光沖擊強化后，葉片表面沖擊區(qū)域受到周圍材料的反作用會產生殘余應力，殘余應力是無外力的作用力，起到平衡外力的作用。殘余應力的形成過程分兩個階段，如圖所示u激光強化過程中，沖擊波以一維平面壓縮波沿葉

8、片厚度方向傳播，沖擊波的峰值應力超過材料的動態(tài)屈服強度極限，引起沖擊強化區(qū)域表層的塑性變形，沿沖擊波平面法線方向產生單軸壓應力。u沖擊強化結束后，沖擊區(qū)域附近的金屬材料反抗因應變產生的體積變形，會在平行于沖擊表面的平面內產生雙軸壓應力場。2.沖擊波下葉片材料動態(tài)響應沖擊波下葉片材料動態(tài)響應激光沖擊強化中，葉片材料的橫向尺寸相對于沖擊方向，側向擾動對沖擊區(qū)影響小，做合理假設后，采用一維理論分析模型分析平面波的傳播過程。理想彈塑性材料的Von Mises屈服準則認為在材料內部積累起來的彈性應變超過某個最大值時，材料發(fā)生屈服。三維應力下的Von Mises屈服準則為：2221223311()()()

9、 2Ds一維應變下對應軸向應力的Hugoniot極限（簡稱HEL）為：212ssHELYY一維沖擊波載荷下材料的動態(tài)響應過程，材料介質點處于兩條虛平行線之間，介質點處于彈性階段，若處于兩平行線之外，介質處于塑性狀態(tài)，在沖擊波載荷下，材料內應力點從0開始增加到K點，為彈性加載階段，然后材料開始屈服，在塑性區(qū)沿著KL線為塑性加載，到達L點材料開始卸載，進入彈性卸載階段，直到與Von Mises屈服邊界線相交于M點，之后沿著屈服準則邊界線進行反向塑性加載。激光沖擊波對葉片材料的沖擊過程描述如下：激光沖擊波載荷施加到葉片表面時，沖擊區(qū)域材料首先發(fā)生彈性應變，彈性波開始在葉片內部傳播；沖擊波載荷波峰壓P

10、max超過葉片材料的HEL極限時，材料發(fā)生動態(tài)屈服而產生塑性變形，對應著塑性波在材料中傳播；隨著沖擊波壓力的減小，材料發(fā)生反向彈性卸載，對應彈性卸載波在材料內傳播，接著以塑性卸載波傳播知道沖擊壓力為零。由于彈性波波速大于塑性波波速，最后材料中存在激光沖擊強化最終獲得的殘余應力和塑性變形。 本章選用航空發(fā)動機壓氣機二級轉子葉片為研究對象，建立其三維模型，導入有限元軟件 ANSYS 進行模態(tài)分析，得到該葉片的固有頻率和相應的振型，并對其振動特性進行了分析，確定葉片疲勞危險部位，為激光沖擊強化仿真提供技術參數(shù)及疲勞分析做準備。3.葉片模態(tài)分析葉片模態(tài)分析3. 1葉片三維實體有限元模型的建立葉片三維實

11、體有限元模型的建立發(fā)動機壓氣機葉片結構復雜，實體模型在ANSYS中建立很困難，因此首先通過激光掃描儀對實體模型進行掃描得到葉片的點云數(shù)據(jù)，在此基礎上通過CAD/CAM大型軟件imageware、PRO/E等得到葉片的實體模型，通過ANSYS與PRO/E的無縫接口將葉片模型導入到ANSYS中進行分析，模型如圖所示。葉片模型3.2 網(wǎng)格劃分與邊界處理網(wǎng)格劃分與邊界處理基于葉片模型的特殊性，在ANSYS結構模態(tài)分析中選取三維20節(jié)點的結構固體單元，使用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結果：單元數(shù)6326，節(jié)點數(shù)12553。劃分結果如圖所示。網(wǎng)格劃分圖SOLID186單元幾何圖形葉片的燕尾形榫頭是固定在壓氣機盤

12、上的，所以對榫頭的底部施加完全約束，及約束沿X、Y、Z方向的移動和繞X、Y、Z軸的轉動，然后進行模態(tài)分析。采用Lanczos計算方法。 不同模態(tài)提取方法比較模態(tài)提取方法 應用范圍Block Lanczos法是一種功能強大的方法，當提取中型到大型模型（50.000 100.000 個自由度）的大量振型時（40+），這種方法很有效；經常應用在具有實體單元或殼單元的模型中。子空間法實體單元和殼單元應當具有較好的單元形狀，要對任何關于單元形狀的警告信息予以注意；在具有剛體振型時可能會出現(xiàn)收斂問題。PowerDynamics法適用于提取很大的模型（100.000個自由度以上）的較少振型（2.5HEL時，

13、沖擊邊緣效應會增加，圖4.3 多次沖擊壓力載荷曲線（a）葉片表面殘余應力分布（4）沖擊次數(shù)對葉片殘余應力的影響）沖擊次數(shù)對葉片殘余應力的影響0.00.20.40.60.81.03002001000100 One impact Two impacts Three impacts Four impacts 殘余應力 MPa深度方向 mm導致殘余應力場改變，產生反向應變，因此多次沖擊后，殘余壓應力達到飽和狀態(tài) ，葉片表面沖擊區(qū)域產生硬化。從圖44(b)所示的有限元分析結果可以看出，殘余壓應力層深在二次和三次沖擊強化分別為0.6mm、0.85mm，增幅依次為50%、42%，說明多次強化沖擊有助于殘余壓

14、應力層深得提高。（b）葉片內部殘余應力分布圖4.4 沖擊次數(shù)對殘余應力影響2 葉片激光沖擊強化正交實驗設計葉片激光沖擊強化正交實驗設計（1） 正交實驗方案設計正交實驗方案設計 影響葉片激光沖擊強化殘余應力效果的因素有：激光功率密度、脈沖寬度、光斑半徑、沖擊次數(shù)等，各因素及其對應的水平如表4.1所示。試驗步驟如下：（1）確定目標函數(shù) 取葉片表面殘余壓應力平均值 為目標函數(shù)（2）確定因素及水平 因素和水平對應關系如表4.1所示（3）選正交表 只是一個4因素3水平試驗，可采用L9（34）正交表。（4）表頭設計 由于不考慮各因素間的交互作用，可依次將各因素安排表中各列。 針對激光沖擊強化各參數(shù)進行正交

15、模擬實驗，運用極差法對實驗結果進行統(tǒng)計處理，確定各因素對葉片表面激光沖擊強化后殘余應力的影響程度，確定各因素的水平，得到激光沖擊強化的最佳工藝參數(shù)組合。水平因素功率密度Dp GW/cm2脈沖寬度ns光斑半徑rmm沖擊次數(shù)N11.08202.0121.79252.5232.12303.03表4.1 因素和水平對照表（5）進行試驗 在葉片的有限元模型上，采用表4設計的工藝參數(shù)進行激光沖擊強化的模擬試驗。（6）結果分析 在表4中， 是i因素j水平的試驗指標之和的平均值（j=1,2,3）， 是i因素j水平的試驗指標。表4.2中 ， 的關系式為：jiKjiKjiKiK/ 3jjiiKk123123m a

16、x,m in,jjjjjjiKKKKKKK（4.1）（4.2）（2）正交試驗數(shù)據(jù)處理）正交試驗數(shù)據(jù)處理 通過極差法分析可以知道哪些因素對指標的影響大，哪些因素影響較小或沒有影響，以及因素對指標的影響順序確定各因素的水平。（a）因素影響分析 極差的大小反映各因素對指標影響的大小。在這一組L8正交模擬試驗中，因素功率密度Dp的極差最大 最大，為102.4，其次是脈沖寬度，光斑半徑r和沖擊次數(shù)N的極差接近，排在最后，從而可排出因素影響的順序為：功率密度Dp脈沖寬度光斑半徑r沖擊次數(shù)N（b）最優(yōu)方法的提出 為了便于比較，將指標隨因素個水平的的變化情況繪成圖4.5。正交試驗中，平均殘余壓應力 取值越小越

17、滿足要求。從圖20可以看出看出，針對1K列 號試驗號功率密度Dp GW/cm2脈沖寬度ns光斑半徑rmm沖擊次數(shù)N殘余壓應力 MPa11.08202.01-31.421.08252.52-99.231.08303.03-87.241.79202.53-193.051.79253.01-178.061.79302.02-153.072.12203.02-138.082.12252.03-186.092.12302.51-168.0-72.6-120.8-123.5-125.8-175.0-88.3-153.4-138.4-164.0-136.1-134.4-155.4102.447.829.92

18、9.61iK2iK3iKiK表4 .2 葉片強化模擬試驗設計及模擬結果功率密度Dp，因為 ，所以激光功率密度Dp應取2水平，同理，脈沖寬度取3水平，光斑半徑r取2水平，沖擊次數(shù)N取3水平。因此葉片激光沖擊強化的最優(yōu)方案為：激光功率密度Dp=3GPa，脈沖寬度=30ns，光斑半徑r=2.5mm，沖擊次數(shù)N=3的組合。符合這一組的4號實驗也是最理想的一組。21K31K11K123200150100500123123123平均殘余壓應力功率密度脈沖寬度光斑半徑沖擊次數(shù)圖4.5 指標隨因素變化情況3. 搭接率對葉片殘余應力的影響搭接率對葉片殘余應力的影響 搭接沖擊處理工藝是通過在工件表面連續(xù)施加激光沖

19、擊，實現(xiàn)較大面積區(qū)域的處理。為了能夠準確描述葉片表面光斑分布特性，文中采用搭接率描述相鄰兩光斑的重合度。1100%2ijIR （4.3）其中 為搭接率， 為相鄰兩光斑中心距離， 為光斑半徑。 ijIR =0% =25% =50% =75%（1）搭接模型建立）搭接模型建立圖中所示為以50%搭接率沖擊葉片表面應力波的傳播過程。模擬過程中與單點強化沖擊強化不同的是，只是以輪廓的形式顯示葉片整個受強化區(qū)域，不顯示不受沖擊波影響區(qū)域的葉片材料成分，從而使沖擊波的傳播過程顯示的更清晰，以便于分析。按照應力波沖擊壓力幅值大小可將材料在脈沖高幅值輻照下的動態(tài)響應分為流體力學、有限塑性、彈性三種類型。葉片激光沖

20、擊強化(a) t=799ns 屬于有限塑性響應。因此以高能量密度脈沖沖擊葉片表面，首先以彈性波或塑性波在葉片內部傳播，彈性波以大于塑性波的速度在葉片內部來回波動，對應力波起到卸載作用，最后在沖擊區(qū)域附近形成穩(wěn)定應力場，此刻葉片內部已達到靜平衡。（2）沖擊波傳播）沖擊波傳播 (b) t=2398ns(d) t=7998ns(e) t=40000ns(c) t=3997ns 模型不同時刻Von Mises等效應力云圖（3） 殘余應力場分析殘余應力場分析 從圖4.19a圖可以看出0%搭接時，葉片表面沖擊區(qū)域的殘余壓應力維持在320MPa左右，分布比較均勻。圖4.19b 25%搭接率和圖24c 50%

21、搭接率時，沖擊區(qū)域內殘余應力分布不均勻。是由于沖擊區(qū)域的邊界效應產生的稀疏波向中心傳播，引起光斑中心發(fā)生反向塑性變形，出現(xiàn)“殘余應力洞”現(xiàn)象。殘余應力洞現(xiàn)象的存在導致殘余應力的最大值偏離光斑中心。光斑中心和邊緣處殘余壓應力都很小，25%、50%搭接率時，后一光斑中心和前一光斑邊緣搭接，不能消除殘余應力洞。圖4.19d 中， 75%搭接率葉片表面的強化沖擊效果比較理想，沖擊強化區(qū)域的殘余壓應力在480MPa左右，高出了0%搭接率的50%，且殘余壓應力分布均勻。75%搭接率時，后一光斑中心正好和前一光斑半徑的中點處搭接，消除了應力空洞，因此沖擊后的殘余壓應力場更均勻些。 以上結果表明，搭接沖擊處理

22、可在葉片表面沖擊區(qū)域獲得均勻的殘余壓應力場，并且隨著搭接率增加，葉片表面沖擊區(qū)域的殘余壓應力場得到增強并且可以使得殘余應力場更加均勻。 （a）搭接率0% (b) 搭接率25% （c）搭接率50% （d）搭接率50% 圖4.6 光斑搭接率對殘余應力的影響024681012147006005004003002001000 殘余應力 /MPa搭接方向 /mm024681012147006005004003002001000 殘余應力 /MPa搭接方向 /mm024681012147006005004003002001000 殘余應力 /MPa搭接方向 /mm024681012146005004003

23、002001000100 殘余應力 /MPa搭接方向 /mm4. 雙面沖擊對殘余應力影響雙面沖擊對殘余應力影響葉片屬于結構復雜的薄壁結構件，激光強化處理薄壁結構件，為了保證其強化效果，有效的減少單面沖擊強化引起的變形，本節(jié)采用雙面沖擊葉片表面的方法來實現(xiàn)其強化。葉片表面的激光沖擊強化采用正交實驗方法得到的工藝參數(shù)，即激光功率密度Dp=3GPa，脈沖寬度=30ns，光斑半徑r=2.5m。以葉片表面同時沖擊強化為例分析葉片表面沖擊強化區(qū)域沖擊波的傳播。通過ANSYS后處理LS_DYNA模塊中的Splane工具將葉片模型沿著激光沖擊中心軸向截開，得到的不同時刻葉片內部von-miss等效應力如圖4-

24、7所示，從圖中可以清晰的看到，激光強化壓力波是以葉片受沖擊表面為中心，環(huán)狀壓力波形式向徑向和縱深方向傳播。由于激光能量的近似高斯分布，沖擊波在中心深度方向傳播的比較快，徑向中心較高應力向外擴散。通過截面圖更加清晰的看到葉片表面殘余壓應力層的下方次表層形成殘余拉應力區(qū)域的形成過程。 (a) t=100ns (b) t=200ns (c) t=2000ns (d) t=4000ns圖4-7 不同時刻截面Von Mises等效應力云圖圖4-8(a) 雙面同時沖擊強化時，上下表面應力分布具有相同的變化趨勢，上下表面最大殘余壓應力分別為320.55MPa和321.00MPa, 從圖4-14(b)中可以看

25、出，沿著沖擊強化深度方向的殘余應力關于葉片厚度中層面對稱分布，上、下表面最大殘余壓應力分別為204MPa和22MPa，且上、下表面殘余應力沿著厚度方向的變化趨勢是一致的。雙面同時沖擊強化能夠獲得比較均勻的殘余壓應力場。圖4-8為非同時沖擊強化后葉片表面及深度方向的應力分布。從圖4-15(a)中可以看出，先沖擊強化的上表面產生較大的殘余壓應力，最大值為327.28MPa，后沖擊強化的下表面最大殘余壓應力為237.96MPa，從圖4.15(b)中可以看出在光斑中心處，下表面的殘余壓應力（194MPa）要大于上表面的殘余壓應力（134MPa）,但上表面的殘余壓應力層深幾乎是下表面壓應力層深度的1.5

26、倍，在次表層有用來平衡表面的殘余壓應力的殘余拉應力。通過以上分析可以看出雙面同時沖擊強化比雙面非同時沖擊強化在葉片表面及深度方向能夠獲得更加均勻的殘余壓應力場。此外，雙面同時沖擊強化能夠避免因單面或者雙面非同時沖擊強化引起的較大變形。實際應用中，雙面同時沖擊能夠提高葉片激光沖擊強化的效率。01234564003002001000100 上表面 下表面 殘余應力 MPa距光斑中心距離 mm0.00.40.81.21.62.03002001000100200 殘余應力 MPa深度方向 mm雙面同時沖擊葉片殘余應力分布(a) 葉片表面殘余應力 (b) 葉片厚度方向殘余應力01234564003002

27、001000100 上表面 下表面 殘余應力 MPa距光斑中心距離 mm0.00.40.81.21.62.03002001000100200 殘余應力 MPa深度方向 mm(a) 葉片表面殘余應力 (b) 葉片厚度方向殘余應力圖4-8 雙面非同時沖擊葉片殘余應力分布五、葉片激光沖擊強化殘余應力實驗分析五、葉片激光沖擊強化殘余應力實驗分析本章基于優(yōu)化得到的激光工藝參數(shù)，進行葉片的激光沖擊強化實驗研究。采用X射線衍射法測量處理后葉片的殘余應力分布情況，綜合采用數(shù)值仿真和實驗方法研究沖擊參數(shù)和沖擊工藝對殘余應力場的影響。最終通過沖擊處理實驗對數(shù)值仿真模型進行實驗驗證。1.1.激光強化實驗裝置激光強化

28、實驗裝置 實驗中采用的激光系統(tǒng)為西安天瑞達公司生產的SGR60型電光調Q脈沖Nd：YAG固體激光器，該類激光器工作頻率高且穩(wěn)定性較好，能夠滿足優(yōu)化工藝參數(shù)的要求。該激光器系統(tǒng)由一級調Q釹玻璃激光振蕩器（釹玻璃棒8200mm）、一級釹玻璃激光預放大器（釹玻璃棒12250）、二級釹玻璃激光主放大器（釹玻璃棒20500）組成，其總體光路排布見圖51。 激光沖擊強化處理裝置如圖5.2所示，整個裝置由四個主要部分組成： （1）激光參數(shù)控制系統(tǒng)； （2）激光電源系統(tǒng)；圖5.1 激光裝置光路示意圖 （3）高壓能量存儲系統(tǒng)； （4）導光臂與激光沖擊工作臺系統(tǒng)。該激光系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如下：（1）單脈沖能量45

29、J；（2）激光波長為1054nm；（3）激光脈沖寬度1030ns；（4）激光輸出穩(wěn)定性：激光輸出脈沖能量起伏5%，激光輸出脈沖功率起伏5%；（5）激光輸出的光場均勻；（6）系統(tǒng)自發(fā)輻射能量（ASE）20mJ；（7）工作重復頻率0.1Hz。圖5.2 激光沖擊強化裝置激光沖強化葉片的材料為鈦合金（Ti-6Al-4V），鈦合金具有比強度高、耐熱耐腐蝕、屈強比高等優(yōu)點，也是基于這些特點而廣泛應用于航空航天、車輛、船舶等工業(yè)領域，被用來制造發(fā)動機葉片、汽輪機轉子等核心部件，這些部件往往承受交變載荷，以疲勞破壞為主要形式。實驗中采用與仿真分析相同的葉片，葉片材料和機械性能分別列于表5-2。2.2.葉片的材

30、料特性葉片的材料特性拉伸強度MPa屈服強度MPa延伸率%縮減率%彈性模量GPa硬度HRC96.190.216.042.111030.96表5-2 TC4鈦合金機械性能3.3.激光強化參數(shù)設置激光強化參數(shù)設置實驗中激光器調整沖擊參數(shù)采用第四章正交試驗得到的優(yōu)化參數(shù)，表53實驗中激光強化參數(shù)功率密度脈沖寬度光斑半徑波長頻率沖擊次數(shù)1.8 GW/cm230ns2.5mm1.06m0.1Hz34.4.殘余應力測量殘余應力測量X射線衍射法是一種無損性的測量方法，基本原理是：當試樣中存在殘余應力時，因晶面間距變化而引起布拉格衍射峰的移動，衍射峰移動距離的大小與應力大小相關。對于給定的金屬材料，用波長 的X

31、射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應的衍射角 ，求出 對 的斜率，便可算出應力 。衍射晶面間距L、X射線的波長 以及衍射角 之間遵從布拉格定律：222sin22 sin(1 2 3)Lnn 、當由應力作用引起衍射晶面間距L發(fā)生變化后，衍射角 也隨之相應改變。X射線應力分析儀可以準確測量出衍射角 的變化，從而根據(jù)彈性力學方程計算出應力的大小，計算公式如式（5.2）所示：02(2)cot2(1)180 (sin)E22X射線衍射法測量原理2. 殘余應力測量結果殘余應力測量結果 葉片表面殘余應力沿徑向共測5個點，深度方向殘余應力通過腐蝕拋光方法共測得5個點，實驗結果結合數(shù)值仿真結果見圖

32、5.4。 （a）葉片表面徑向的殘余應力分布 （b）葉片內部殘余應力分布 5.4 實驗仿真結果對比圖從葉片激光沖擊強化沿表面徑向分布的殘余應力仿真與實驗對比圖55(a)可以看出，實驗測得的光斑中心的殘余壓應力為280.2MPa，比仿真獲得的應力262.0MPa高了7%，實驗測得的表面最大的殘余壓應力為313.7MPa，仿真結果01234564003002001000100 仿真結果 實驗結果 殘余應力 MPa距光斑中心距離 mm0.00.20.40.60.81.04003002001000100 仿真結果 實驗結果 殘余應力 MPa深度方向 mm為358.0MPa，相差了44.3MPa。原因推斷

33、為激光沖擊強化實驗中，殘余應力受到熱效應、外界因素等許多不確定因素的影響，仿真中忽略了影響甚微的熱效應等，致使仿真與實驗結果存在偏差。從葉片激光沖擊強化沿厚度方向分布的殘余應力仿真與實驗對比圖55(b)，仿真結果的殘余壓應力層深度達到約0.73mm，而實驗結果的殘余壓應力層深度達到0.7mm，仿真結果與實驗結果較一致。從殘余壓應力的大小分析，仿真結果中，葉片表面最大殘余壓應力為384.0MPa，實驗結果中表面最大殘余應力約為316.7MPa，實驗結果總體上略小于仿真的結果。除部分點外仿真與實驗的曲線變化趨勢基本一致，說明基于激光沖擊強化理論建立的仿真模型能較真實的反映殘余應力隨激光參數(shù)的變化情

34、況。六、總結和展望論文主要工作如下：論文主要工作如下：一、對通過逆向技術建立的葉片實體三維有限元模型進行模態(tài)分析，分析得到葉片的前六階固有頻率和相應的振型，確定葉片強化的危險區(qū)域，為其激光沖擊強化仿真分析中全局阻尼的設置提供依據(jù)。二、通過對激光沖擊強化機理的研究，闡述高壓等離子體爆轟波的形成過程，對比分析國內外學者提出的沖擊波峰壓模型，確定適用于有限元分析的沖擊波峰壓計算模型。通過對Von Mises屈服準則下Ballard提出的一維沖擊理論模型的分析研究，分析激光高壓脈沖下沖擊波在葉片材料內的傳播，獲得了沖擊波峰壓的取值范圍。三、對激光沖擊強化過程中的載荷施加、網(wǎng)格劃分、阻尼設置等關鍵問題進行討論分析。仿真模擬分析激光功率密度、光斑大小、脈沖寬度、沖擊次數(shù)等單因素對殘余應力場的影響。并通過正交試驗對這些參數(shù)進行優(yōu)化，給出最佳工藝參數(shù)組合，對理論研究和實驗分析提供參照。模擬分析不同搭接率和雙面同時與非同時沖擊強化對殘余應力場的影響。四、采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進行激光沖擊強化實驗，實驗結果表明：激光強化處理能夠顯著提高葉片表面的力學性能，沖擊強化后在葉片表面形成穩(wěn)定的殘余壓應力場。仿真和實驗結果在數(shù)值上存在差異，但是殘余應力曲線具有相同的變化趨勢，說明仿