碩士論文答辯PPT

緒論一、激光強(qiáng)化基本理論與葉片模態(tài)分析二、葉片激光沖擊強(qiáng)化建模與殘余應(yīng)力仿真三、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(qiáng)化殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析五、總結(jié)與展望六、總綱一、緒論

本課題來(lái)源于陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目：合金材料激光沖擊強(qiáng)化研究（2010JM6012）。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力裝置，為其提供飛行推力，被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”。葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道的主要部件，在高溫高速下工作，承受著復(fù)雜的循環(huán)熱載荷及機(jī)械載荷，一旦發(fā)生破壞性故障將導(dǎo)致極其嚴(yán)重的后果。為保障發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)在服役期間的穩(wěn)定性和可靠性，迫切需要有效地手段來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)度和疲勞壽命。美國(guó)成功的運(yùn)用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行表面改性，提高其結(jié)構(gòu)抗力，并將其列為四代戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)80項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。激光沖擊強(qiáng)化（LaserShockPeening，簡(jiǎn)稱LSP）是新興的表面冷處理技術(shù)，利用高功率密度（109w/cm2）短脈沖（ns級(jí)）激光束對(duì)有約束層和吸收層的工件表面進(jìn)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(chǎn)生高壓的等離子體沖擊波，沖擊波對(duì)工件表面進(jìn)行高壓沖擊強(qiáng)化，在沖擊區(qū)域表面形成穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，起到提高工件抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性和防腐蝕性能的冷表面處理工藝。1.研究背景意義與傳統(tǒng)的噴丸、滾壓等強(qiáng)化技術(shù)相比，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)通過(guò)高功率密度激光對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化可獲得比普通強(qiáng)化技術(shù)高出將近十

倍的表面殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力層的深度是普通工藝的兩到三倍。(2)激光沖擊強(qiáng)化是一種新興的技術(shù)，對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化過(guò)程中無(wú)需與工件接

觸，因此可以通過(guò)調(diào)整激光設(shè)備參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀不同材料的零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化。(3)激光沖擊強(qiáng)化對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì)對(duì)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.國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展早在20世紀(jì)60年代，隨著高功率密度激光能夠產(chǎn)生高壓沖擊波的能力被發(fā)現(xiàn)后[9]，許多學(xué)者們開(kāi)始了激光在許多領(lǐng)域的研究，包括改變材料的性能[10]，用激光進(jìn)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，Anderhlom[14]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Clauer[15,16]致力于激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程以及材料對(duì)沖擊波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究，研究采用不同材料的吸收層對(duì)爆轟波峰壓力的影響，并成功將該技術(shù)應(yīng)用到緊固件接口處疲勞強(qiáng)度的提高方面。美國(guó)MIC公司通過(guò)建立齒輪模型如圖所示，仿真模擬齒輪經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，齒輪激光沖擊強(qiáng)化后能夠有效地提高其抗疲勞磨損能力[8]。齒輪激光沖擊強(qiáng)化仿真結(jié)果20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)研究者開(kāi)始了激光沖擊強(qiáng)化的理論和實(shí)驗(yàn)研究，1992年南京航空航天大學(xué)對(duì)航空鋁合金2024T63的激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究，研究成果進(jìn)一步驗(yàn)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(xué)于2003年開(kāi)始激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究，成功搭建了用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片強(qiáng)化的YAG激光實(shí)驗(yàn)裝置，致力于研究激光沖擊參數(shù)對(duì)葉片疲勞、耐腐蝕等強(qiáng)度的影響。3.發(fā)展動(dòng)態(tài)分析工件進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)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(píng)價(jià)激光參數(shù)對(duì)工件性能的影響，需要從兩個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)階段是建立激光沖擊參數(shù)和殘余應(yīng)力場(chǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，第二個(gè)階段是工件的性能與殘余應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前大多數(shù)的激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬研究?jī)H局限于規(guī)則形狀的簡(jiǎn)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(yīng)力場(chǎng)還不夠，還需要建立算法模型來(lái)評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到對(duì)任意工件疲勞性能改善的最優(yōu)工藝參數(shù)。激光沖擊強(qiáng)化機(jī)理及材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)本構(gòu)關(guān)系的研究模態(tài)理論研究與鈦合金葉片模態(tài)分析鈦合金葉片激光沖擊強(qiáng)化模型的建立及關(guān)鍵問(wèn)題討論激光沖擊參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響和參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化搭接率及沖擊方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響葉片激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析4.研究?jī)?nèi)容1.激光沖擊強(qiáng)化原理激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，簡(jiǎn)稱LSP技術(shù)，原理是強(qiáng)激光脈沖輻照在物質(zhì)表面上產(chǎn)生等離子體，等離子體進(jìn)一步吸收激光能量，爆炸形成強(qiáng)爆轟波，當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表層就產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，同時(shí)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(yīng)力腐蝕等性能。沖擊原理如圖所示。圖

激光沖擊強(qiáng)化原理二、激光強(qiáng)化基本理論與葉片模態(tài)分析激光沖擊強(qiáng)化后，葉片表面沖擊區(qū)域受到周?chē)牧系姆醋饔脮?huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是無(wú)外力的作用力，起到平衡外力的作用。殘余應(yīng)力的形成過(guò)程分兩個(gè)階段，如圖所示激光強(qiáng)化過(guò)程中，沖擊波以一維平面壓縮波沿葉片厚度方向傳播，沖擊波的峰值應(yīng)力超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度極限，引起沖擊強(qiáng)化區(qū)域表層的塑性變形，沿沖擊波平面法線方向產(chǎn)生單軸壓應(yīng)力。沖擊強(qiáng)化結(jié)束后，沖擊區(qū)域附近的金屬材料反抗因應(yīng)變產(chǎn)生的體積變形，會(huì)在平行于沖擊表面的平面內(nèi)產(chǎn)生雙軸壓應(yīng)力場(chǎng)。2.沖擊波下葉片材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)激光沖擊強(qiáng)化中，葉片材料的橫向尺寸相對(duì)于沖擊方向，側(cè)向擾動(dòng)對(duì)沖擊區(qū)影響小，做合理假設(shè)后，采用一維理論分析模型分析平面波的傳播過(guò)程。理想彈塑性材料的VonMises屈服準(zhǔn)則認(rèn)為在材料內(nèi)部積累起來(lái)的彈性應(yīng)變超過(guò)某個(gè)最大值時(shí)，材料發(fā)生屈服。三維應(yīng)力下的VonMises屈服準(zhǔn)則為：一維應(yīng)變下對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)力的Hugoniot極限（簡(jiǎn)稱HEL）為：一維沖擊波載荷下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，材料介質(zhì)點(diǎn)處于兩條虛平行線之間，介質(zhì)點(diǎn)處于彈性階段，若處于兩平行線之外，介質(zhì)處于塑性狀態(tài)，在沖擊波載荷下，材料內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)從0開(kāi)始增加到K點(diǎn)，為彈性加載階段，然后材料開(kāi)始屈服，在塑性區(qū)沿著KL線為塑性加載，到達(dá)L點(diǎn)材料開(kāi)始卸載，進(jìn)入彈性卸載階段，直到與VonMises屈服邊界線相交于M點(diǎn)，之后沿著屈服準(zhǔn)則邊界線進(jìn)行反向塑性加載。激光沖擊波對(duì)葉片材料的沖擊過(guò)程描述如下：激光沖擊波載荷施加到葉片表面時(shí)，沖擊區(qū)域材料首先發(fā)生彈性應(yīng)變，彈性波開(kāi)始在葉片內(nèi)部傳播；沖擊波載荷波峰壓Pmax超過(guò)葉片材料的HEL極限時(shí)，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)屈服而產(chǎn)生塑性變形，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)彈性卸載波在材料內(nèi)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(qiáng)化最終獲得的殘余應(yīng)力和塑性變形。本章選用航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片為研究對(duì)象，建立其三維模型，導(dǎo)入有限元軟件ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，得到該葉片的固有頻率和相應(yīng)的振型，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，確定葉片疲勞危險(xiǎn)部位，為激光沖擊強(qiáng)化仿真提供技術(shù)參數(shù)及疲勞分析做準(zhǔn)備。模態(tài)分析的好處使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的有助于在其它動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)（如時(shí)間步長(zhǎng)）3.葉片模態(tài)分析3.1葉片三維實(shí)體有限元模型的建立發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)體模型在ANSYS中建立很困難，因此首先通過(guò)激光掃描儀對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行掃描得到葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)CAD/CAM大型軟件imageware、PRO/E等得到葉片的實(shí)體模型，通過(guò)ANSYS與PRO/E的無(wú)縫接口將葉片模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析，模型如圖所示。葉片模型3.2

網(wǎng)格劃分與邊界處理基于葉片模型的特殊性，在ANSYS結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中選取三維20節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)固體單元，使用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果：?jiǎn)卧獢?shù)6326，節(jié)點(diǎn)數(shù)12553。劃分結(jié)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(jī)盤(pán)上的，所以對(duì)榫頭的底部施加完全約束，及約束沿X、Y、Z方向的移動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后進(jìn)行模態(tài)分析。采用Lanczos計(jì)算方法。

不同模態(tài)提取方法比較模態(tài)提取方法

應(yīng)用范圍BlockLanczos法是一種功能強(qiáng)大的方法，當(dāng)提取中型到大型模型（50.000~100.000個(gè)自由度）的大量振型時(shí)（40+），這種方法很有效；經(jīng)常應(yīng)用在具有實(shí)體單元或殼單元的模型中。子空間法實(shí)體單元和殼單元應(yīng)當(dāng)具有較好的單元形狀，要對(duì)任何關(guān)于單元形狀的警告信息予以注意；在具有剛體振型時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)收斂問(wèn)題。PowerDynamics法適用于提取很大的模型（100.000個(gè)自由度以上）的較少振型（<20）；當(dāng)單元形狀不好或出現(xiàn)病態(tài)矩陣時(shí)，用這種方法可能不收斂。縮減法使用矩陣縮減法，即選擇一組主自由度來(lái)減小[K]和[M]的大?。辉诮Y(jié)構(gòu)抵抗彎曲能力較弱時(shí)不推薦使用此方法。不對(duì)稱法適用于聲學(xué)問(wèn)題（具有結(jié)構(gòu)藕合作用）和其它類似的具有不對(duì)稱質(zhì)量矩陣[M]和剛度矩陣[K]的問(wèn)題。阻尼法主要用于回轉(zhuǎn)體動(dòng)力學(xué)中。4.、模態(tài)結(jié)果分析根據(jù)實(shí)況分析，葉片的各階振形中，低階固有振型要比高階固有振型對(duì)葉片的振動(dòng)影響大，越是低階影響就越大。進(jìn)入通用后處理器POST1可輸出分析結(jié)果及報(bào)告和節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力、應(yīng)變等各種云圖。

f=239.13Hz的一階振型圖f=961.07Hz的二階振型圖f=1137.40Hz的三階振型圖f=

2229.20Hz的四階振型圖f=2755.00Hz的五階振型圖f=3329.00Hz的六階振型圖上圖顯示了葉片一階到六階的振型圖和其相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力圖，研究共振對(duì)葉片造成的影響。分別取固有頻率為239.13Hz、961.07HZ、2229.20Hz、3329.00Hz的模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從其振型及相應(yīng)的應(yīng)力圖上可以看出：a)葉片在第一階和第二階固有頻率時(shí)進(jìn)行的是彎曲振動(dòng)，在第四階和第六階固有頻率時(shí)進(jìn)行的是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。b)從模態(tài)仿真的結(jié)果來(lái)看,當(dāng)葉片處于共振狀態(tài)時(shí),其幾何形狀已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的變形,并且隨著共振階次

的增加,變形越嚴(yán)重，鈦合金葉片的最低固有頻率為f=239.13Hz。壓氣機(jī)葉片（鈦合金）前6階固有頻率（f/Hz）

階數(shù)123456固有頻率（

HZ）239.13961.071137.402229.202755.003329.00振型彎曲彎曲扭轉(zhuǎn)彎扭組合彎扭組合彎扭組合三.葉片激光沖擊強(qiáng)化建模與殘余應(yīng)力仿真用ANSYS/LS-_DYNA做仿真分析時(shí)，一個(gè)完整的激光模擬過(guò)程主要按如下步驟建立激光沖擊強(qiáng)化有限元模型：①定義單元類型；②選擇材料本構(gòu)模型；③建立幾何模型；④網(wǎng)格劃分；⑤施加邊界條件；⑥施加沖擊波壓力載荷；⑦求解控制設(shè)置（重啟動(dòng)類型、能量選擇、沙漏選擇、阻尼等）；⑧輸出K文件并進(jìn)行適當(dāng)求解。最后利用后處理查看結(jié)果文件。1.建模思路

葉片激光沖擊強(qiáng)化仿真流程2.建模過(guò)程（1）定義單元類型

模擬采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元Solid164來(lái)劃分網(wǎng)格，如圖所示，該單元主要用于三維結(jié)構(gòu)實(shí)體顯式動(dòng)力分析，支持所有許可的非線性征分析。（2）材料本構(gòu)模型葉片激光沖擊強(qiáng)化仿真過(guò)程屬于瞬態(tài)過(guò)程，材料的載荷在中等強(qiáng)度范圍內(nèi)，應(yīng)選擇非線性的材料模型，雙線性各向同性模型（BilinearIsotropicPlasticity）的切線模量參數(shù)設(shè)置為零，可得到理想的彈塑性模型，材料模型遵循VonMises屈服準(zhǔn)則，按照第二章激光沖擊強(qiáng)化下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論，沖擊波應(yīng)力超過(guò)材料的Hugoniot極限時(shí)，材料屈服變形。TC4葉片材料的力學(xué)性能參數(shù)如表所示，根據(jù)式（3.6）可計(jì)算所需要的TC4葉片的動(dòng)態(tài)屈服

為1.344GPa[52]。Solid164單元幾何圖形（3.1）TC4葉片的力學(xué)性能參數(shù)材料力學(xué)參數(shù)大小

單位密度（ρ）4500Kg.m-3

泊松比（μ）0.342彈性模量（E）110GPa動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度（

D）1.344GPa（3）網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循的的原則為:激光沖擊區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變變化顯著，該處附近網(wǎng)格要細(xì)化；在保證精度計(jì)算合理的情況下，盡量采用較小單元。應(yīng)用solid164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，沖擊半徑為2.5mm，對(duì)沖擊區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，單元尺寸為0.125mm，其余區(qū)域單元尺寸為1mm，模型的全部單元數(shù)為489049個(gè)。見(jiàn)圖3-4。約束施加及網(wǎng)格劃分（4）邊界條件處理與阻尼設(shè)置如圖所示約束葉身的底面兩側(cè)面以及榫頭端面的自由度。合理的阻尼設(shè)置能夠有效避免顯示算法引起的非真實(shí)振蕩，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，查閱LS_DYNA手冊(cè)全局阻尼的設(shè)置值為模型一階固有頻率的二倍，本文第二章葉片模態(tài)分析得到葉片的一階固有頻率為239.13，因此這里的全局阻尼參量設(shè)置為*DAMPING_GLOBAL480。（4）載荷施加在激光沖擊處理的建模中，沖擊波的加載難點(diǎn)是載荷的大小及其加載方式，而沖擊波載荷的大小、加載方式以及加載時(shí)間是影響數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵。本節(jié)通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外激光沖擊處理工藝人員炮轟波壓力模型，選擇適合葉片的激光沖擊強(qiáng)化模型。a.Taylor波模型式中：k為等熵指數(shù)，為蒸氣密度，為激光功率密度(3.2)b.Fabbro波模型(3.3)式中：為效率系數(shù)，A為吸收率，為激光的功率密度，Z為約束層與涂覆層的折合阻抗，

c.橫向膨脹模型

爆轟波模型Taylor波模型Fabbro模型橫向膨脹模型優(yōu)點(diǎn)很好反映初始狀態(tài)耙面壓力考慮影響因素較全面；能反映波壓隨能量變化規(guī)律考慮因素較少缺點(diǎn)沒(méi)考慮約束層作用；不能反映爆轟波壓力空間分布特性不能反映爆轟波壓力空間分布特性不能反映爆轟波壓力空間分布特性(3.4)式中為折合密度；I為激光功率密度爆轟波模型的比較綜上比較采用Fabbro模型，取約束層為水、涂覆層為鋁箔，利用折合阻抗公式

求得折合阻抗為0.926×106gcm-2s-1，

取典型系數(shù)0.1。求得的峰值壓力與激光功率密度對(duì)應(yīng)的關(guān)系如下表：峰值壓力GPa33.54.55.56.5功率密度GW/cm21.82.13.35.27.3不同功率密度對(duì)應(yīng)的爆轟波壓力依據(jù)現(xiàn)有有關(guān)壓力時(shí)間關(guān)系的研究報(bào)道，一般認(rèn)為沖擊波壓力時(shí)程曲線為近高斯形的曲線，沖擊波的作用時(shí)間為激光脈沖寬的3倍左右。在這里我們可以將沖擊壓力時(shí)程曲線簡(jiǎn)化為三角形或梯形。實(shí)驗(yàn)激光脈寬為30ns，沖擊波作用時(shí)間為激光脈寬的2～3倍，為90ns,依文獻(xiàn)取100ns。沖擊波作用壓力時(shí)程曲線見(jiàn)圖。沖擊壓力-時(shí)程曲線（1）能量分析在激光沖擊強(qiáng)化的過(guò)程中，作用于葉片的沖擊波的能量主要轉(zhuǎn)化為葉片的內(nèi)能、動(dòng)能、阻尼能以及沙漏能。圖為模型各種能量隨時(shí)間變化的曲線。從圖可以看出，總能量在剛開(kāi)始由于沖擊應(yīng)力波做功而迅速達(dá)到最大值0.059J；隨后由于阻尼與沙漏的作用總能量緩慢下降而趨于穩(wěn)定；在整個(gè)分析過(guò)程中沙漏能模型能量隨時(shí)間變化曲線3.模擬結(jié)果分析一直保持在0.002J左右，說(shuō)明模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)合理的，沒(méi)有因?yàn)椴捎脺p縮積分單元而引起沙漏問(wèn)題；動(dòng)能同樣在0～70ns內(nèi)達(dá)到最大值，然后由于阻尼作用在10000ns時(shí)減少為0J，說(shuō)明這個(gè)時(shí)刻模型中已無(wú)應(yīng)力波的作用，模型中應(yīng)力場(chǎng)也是最終穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)。說(shuō)明將動(dòng)態(tài)加載的求解時(shí)間設(shè)定為10000ns是合理的。（2）沖擊波的傳播下圖顯示了沖擊應(yīng)力波在葉片有限元模型中傳播不同時(shí)刻的VonMiss應(yīng)力云圖。在t=98ns時(shí)刻沖擊應(yīng)力波從葉片模型表面?zhèn)魅雰?nèi)部，激光對(duì)葉片的作用結(jié)束，沖擊區(qū)域的VonMiss最大等效應(yīng)力為876MPa。在t=180n時(shí)刻，最大VonMiss等效應(yīng)力區(qū)域強(qiáng)化中心區(qū)域向外擴(kuò)散，此刻的最大VonMiss等效應(yīng)力下降為683MPa,說(shuō)明塑性加載波在不斷向前傳播的同時(shí)，彈性卸載擾動(dòng)以大于塑性波波速的彈性波波速對(duì)其追趕，起到卸載作用。t=490ns時(shí)刻，塑性加載波已達(dá)到最大邊界處，而彈性卸載波與塑性加載波相互作用，導(dǎo)致沖擊某些區(qū)域沖擊應(yīng)力被中和的現(xiàn)象，此刻最大殘余應(yīng)力為521MPa。從t=2598ns的應(yīng)力云圖可以看到，葉片表面的應(yīng)力波經(jīng)不斷的相互作用后趨于穩(wěn)定，最大VonMiss等效應(yīng)力最后穩(wěn)定在189MPa左右。t=98nst=180nst=393nst=490nst=896nst=2598ns模型不同時(shí)刻的VonMiss應(yīng)力云圖等效應(yīng)力隨時(shí)間變化單元對(duì)應(yīng)位移從葉片沖擊區(qū)域中心單元19544的等效應(yīng)力可以知在前100ns左右時(shí)間內(nèi)，彈性波快速釋放后塑性波進(jìn)行加載以及彈性波的卸載，最大峰值應(yīng)力為780MPa，隨后發(fā)生動(dòng)態(tài)屈服，產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力幅值振蕩并不斷較小，用第二章材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和應(yīng)力波理論分析可得彈性波以較快波速追趕塑性波，塑性波波速慢，彈性波追趕上塑性波并對(duì)其進(jìn)行卸載，從而峰值壓力不斷減少，最后單元19544在3500ns以后等效應(yīng)力基本穩(wěn)定。整個(gè)過(guò)程參數(shù)的設(shè)置總結(jié)如下：激光功率密度1.8GW/cm2、激光光斑半徑2.5mm、脈沖寬度30ns，由公式（3.7）計(jì)算的沖擊波峰壓為3GPa，葉片激光沖擊強(qiáng)化后在葉片表面沖擊區(qū)域形成穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)，下圖為穩(wěn)定時(shí)的VonMises等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為110GPa。（3）殘余應(yīng)力場(chǎng)圖3-12為穩(wěn)定時(shí)的VonMises等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為110GPa。圖3-13說(shuō)明通過(guò)前面建立的激光沖擊強(qiáng)化葉片仿真模型，最終在葉片表面沖擊區(qū)域形成穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。從圖3-13(a)可以看出沖擊表面的最大殘余壓應(yīng)力值為348MPa，并沿X軸徑向不斷減小，在沖擊邊界處遞減趨于零，殘余應(yīng)力均勻分布在葉片表面沖擊區(qū)域。從圖3-13(b)可以看出隨深度增加殘余壓應(yīng)力逐漸減小，約到0.7mm處壓應(yīng)力減小為零，即葉片經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的殘余壓應(yīng)力層深為0.7mm。1.激光沖擊參數(shù)對(duì)葉片殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響應(yīng)用單因素法對(duì)激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脈寬和激光沖擊次數(shù)等激光沖擊參數(shù)進(jìn)行葉片強(qiáng)化有限元模擬仿真，分析其殘余應(yīng)力場(chǎng)分布特性。（a）葉片表面殘余應(yīng)力（b）葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力圖4.1激光功率密度對(duì)殘余應(yīng)力的影響四.葉片激光沖擊參數(shù)及工藝方案的優(yōu)化（1）激光功率密度對(duì)葉片殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響從圖中可以看出：(1)采用功率密度Dp=1.79GW/cm2，葉片表面的最大殘余壓應(yīng)力為346MPa，最大壓應(yīng)力層深為0.7mm；采用功率密度Dp=2.12GW/cm2，葉片表面的最大殘余壓應(yīng)力為539MPa，最大壓應(yīng)力層深為0.9mm。隨著激光功率密度的提高，葉片表面的最大殘余壓應(yīng)力也增大，并且葉片內(nèi)部的最大殘余壓應(yīng)力層深也提高。(2)Dp=1.79GW/cm2，殘余壓應(yīng)力最大值位于沖擊光斑中心處，Dp=2.12GW/cm2，殘余壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距沖擊光斑中心1.3mm處。說(shuō)明殘余壓應(yīng)力的最大值隨著功率密度的提高而增大，但殘余壓應(yīng)力最大值所處的位置卻逐漸遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域中心，這種現(xiàn)象稱作“殘余應(yīng)力洞”。Peyre等人對(duì)A356-T6合金進(jìn)行激光沖擊處理實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)并提出了“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象[3]?！皻堄鄳?yīng)力洞”現(xiàn)象不僅不利于激光能量的充分利用，還會(huì)造成沖擊區(qū)域殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的分布不均，影響材料抗疲勞、腐蝕性能。沖擊波峰壓Pmax大小對(duì)葉片表面形成的應(yīng)力洞的大?。_擊區(qū)域發(fā)生應(yīng)力缺乏的表層材料范圍）及應(yīng)力洞的幅度（沖擊區(qū)域中心應(yīng)力下降的幅度）有直接的影響。（2）激光光斑尺寸對(duì)葉片殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響分別采用半徑為1.5mm，2mm，2.5mm，3mm的光斑進(jìn)行比較，其他沖擊參數(shù)保持不變：沖擊波峰壓Pmax=3GPa（激光功率密度Dp=1.79GW/cm2），激光脈寬τ=30ns。計(jì)算結(jié)果如圖所示。（a）葉片表面殘余應(yīng)力（b）葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力圖4.2葉片不同激光光斑尺寸下的殘余應(yīng)力分布圖4.2（a）中的結(jié)果顯示，葉片激光沖擊強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力分布規(guī)律在不同的激光光斑尺寸下基本相同，表面的殘余壓應(yīng)力隨光斑的半徑增大而增大；光斑半徑3mm時(shí)，葉片表面的最大殘余壓應(yīng)力為

356MPa，分別比半徑為1.5mm、2.0mm、2.5mm高43MPa、24MPa、10MPa。圖4.2（b）中結(jié)果顯示，葉片內(nèi)部殘余壓應(yīng)力層深在光斑1.5mm時(shí)為0.6mm，光斑3mm時(shí)為0.7mm，增加了0.1mm，并且最大殘余壓應(yīng)力也相應(yīng)的增加，說(shuō)明殘余壓應(yīng)力層深和光斑尺寸之間存在著比例關(guān)系。

小尺寸光斑進(jìn)行沖擊處理，應(yīng)力波近似以球面波的形式傳播；大光斑進(jìn)行沖擊處理時(shí)，應(yīng)力波近似以平面波的形式傳播，球面波的衰減比平面波快[4,5]。因而，小光斑處理?xiàng)l件下，沖擊波傳播距離短、塑性變形深度較小、最大壓應(yīng)力層深也較淺。（3）激光脈寬對(duì)葉片殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響圖4.12（a）,（b）分別顯示了激光沖擊強(qiáng)化后，在不同的脈寬下葉片表面和內(nèi)部殘余壓應(yīng)力的分布情況。從圖16-a中可以看出，脈寬由15ns增加到25ns時(shí)，葉片表面的最大殘余壓應(yīng)力由302MPa增加到了511MPa，增幅為41%；脈寬繼續(xù)增加到30ns時(shí)，葉片表面最大殘余壓應(yīng)力并沒(méi)有明顯增加，反而出現(xiàn)了“應(yīng)力空洞”現(xiàn)象。這說(shuō)明隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增加，葉片表面的激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，激光脈寬受激光系統(tǒng)的控制在10ns-30ns范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到對(duì)沖擊波壓力持續(xù)時(shí)間的控制。保持沖擊波峰壓和光斑大小不變，沖擊波峰壓Pmax=3.5GPa，激光光斑半徑r=2.5mm。圖4-3所示為脈寬τ分別為15ns，20ns，25ns，30ns時(shí)的沖擊波壓力時(shí)間曲線。（a）葉片表面殘余應(yīng)力（b）葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力圖4.12脈沖寬度對(duì)殘余應(yīng)力的影響殘余壓應(yīng)力達(dá)到一定值后不再增加，繼續(xù)增加脈寬，更多的激光能量會(huì)注入，造成葉片表面灼傷，燒蝕，出現(xiàn)“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。從圖4.11-b中可以看出，葉片內(nèi)部最大殘余壓應(yīng)力和葉片表面具有同樣的規(guī)律；脈寬從15ns增加到30ns，對(duì)應(yīng)的殘余壓應(yīng)力層深分別為0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.9mm，說(shuō)明塑性變形層的深度是隨著激光脈寬增大而增加的。因此采用較大的激光脈寬沖擊葉片可以獲得較好的沖擊強(qiáng)化效果。單次沖擊功率密度過(guò)高，不僅對(duì)葉片表面吸收層和約束層的性能要求很高，而且葉片內(nèi)部組織可能因?yàn)闆_擊壓力過(guò)大而損傷，甚至在葉片背部產(chǎn)生層裂。從圖4-4(a)所示的有限元分析結(jié)果可以看出，經(jīng)兩次沖擊后葉片最大殘余壓應(yīng)力由第一次的197MPa增加到216MPa，增幅為10%，三次沖擊后葉片最大殘余壓應(yīng)力增加到251MPa，增幅為16%，增幅明顯，第四次沖擊后最大殘余應(yīng)力沒(méi)多大變化，由第二章材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論知激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中當(dāng)Pmax>2.5HEL時(shí)，沖擊邊緣效應(yīng)會(huì)增加，圖4.3多次沖擊壓力-載荷曲線（a）葉片表面殘余應(yīng)力分布（4）沖擊次數(shù)對(duì)葉片殘余應(yīng)力的影響導(dǎo)致殘余應(yīng)力場(chǎng)改變，產(chǎn)生反向應(yīng)變，因此多次沖擊后，殘余壓應(yīng)力達(dá)到飽和狀態(tài)，葉片表面沖擊區(qū)域產(chǎn)生硬化。從圖4-4(b)所示的有限元分析結(jié)果可以看出，殘余壓應(yīng)力層深在二次和三次沖擊強(qiáng)化分別為0.6mm、0.85mm，增幅依次為50%、42%，說(shuō)明多次強(qiáng)化沖擊有助于殘余壓應(yīng)力層深得提高。（b）葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力分布圖4.4沖擊次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響2葉片激光沖擊強(qiáng)化正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（1）

正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)影響葉片激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)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(duì)應(yīng)的水平如表4.1所示。試驗(yàn)步驟如下：（1）確定目標(biāo)函數(shù)

取葉片表面殘余壓應(yīng)力平均值

為目標(biāo)函數(shù)（2）確定因素及水平

因素和水平對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4.1所示（3）選正交表只是一個(gè)4因素3水平試驗(yàn)，可采用L9（34）正交表。（4）表頭設(shè)計(jì)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(duì)激光沖擊強(qiáng)化各參數(shù)進(jìn)行正交模擬實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用極差法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，確定各因素對(duì)葉片表面激光沖擊強(qiáng)化后殘余應(yīng)力的影響程度，確定各因素的水平，得到激光沖擊強(qiáng)化的最佳工藝參數(shù)組合。水平因素功率密度DpGW/cm2脈沖寬度τns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(duì)照表（5）進(jìn)行試驗(yàn)在葉片的有限元模型上，采用表4設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的模擬試驗(yàn)。（6）結(jié)果分析在表4中，

是i因素j水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值（j=1,2,3），

是i因素j水平的試驗(yàn)指標(biāo)。表4.2中

，

的關(guān)系式為：（4.1）（4.2）（2）正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理通過(guò)極差法分析可以知道哪些因素對(duì)指標(biāo)的影響大，哪些因素影響較小或沒(méi)有影響，以及因素對(duì)指標(biāo)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(duì)指標(biāo)影響的大小。在這一組L8正交模擬試驗(yàn)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τ，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?yàn)椋汗β拭芏菵p

脈沖寬度τ

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(biāo)隨因素個(gè)水平的的變化情況繪成圖4.5。正交試驗(yàn)中，平均殘余壓應(yīng)力

取值越小越滿足要求。從圖20可以看出看出，針對(duì)列號(hào)試驗(yàn)號(hào)功率密度DpGW/cm2脈沖寬度τns光斑半徑rmm沖擊次數(shù)N殘余壓應(yīng)力

MPa11.08202.01-31.421.08252.52-99.231.08303.03-87.241.79202.53-193.051.79253.01-178.061.79302.02-153.072.12203.02-138.082.12252.03-186.092.12302.51-168.0-72.6-120.8-123.5-125.8-175.0-88.3-153.4-138.4-164.0-136.1-134.4-155.4102.447.829.929.6表4.2葉片強(qiáng)化模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果功率密度Dp，因?yàn)?/p>

，所以激光功率密度Dp應(yīng)取2水平，同理，脈沖寬度τ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(qiáng)化的最優(yōu)方案為：激光功率密度Dp=3GPa，脈沖寬度τ=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(hào)實(shí)驗(yàn)也是最理想的一組。圖4.5指標(biāo)隨因素變化情況3.搭接率對(duì)葉片殘余應(yīng)力的影響搭接沖擊處理工藝是通過(guò)在工件表面連續(xù)施加激光沖擊，實(shí)現(xiàn)較大面積區(qū)域的處理。為了能夠準(zhǔn)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。（4.3）其中

為搭接率，

為相鄰兩光斑中心距離，

為光斑半徑。=0%=25%=50%=75%（1）搭接模型建立圖中所示為以50%搭接率沖擊葉片表面應(yīng)力波的傳播過(guò)程。模擬過(guò)程中與單點(diǎn)強(qiáng)化沖擊強(qiáng)化不同的是，只是以輪廓的形式顯示葉片整個(gè)受強(qiáng)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(guò)程顯示的更清晰，以便于分析。按照應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)分為流體力學(xué)、有限塑性、彈性三種類型。葉片激光沖擊強(qiáng)化(a)t=799ns屬于有限塑性響應(yīng)。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(nèi)部傳播，彈性波以大于塑性波的速度在葉片內(nèi)部來(lái)回波動(dòng)，對(duì)應(yīng)力波起到卸載作用，最后在沖擊區(qū)域附近形成穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，此刻葉片內(nèi)部已達(dá)到靜平衡。（2）沖擊波傳播(b)t=2398ns(d)t=7998ns(e)t=40000ns(c)t=3997ns模型不同時(shí)刻VonMises等效應(yīng)力云圖（3）

殘余應(yīng)力場(chǎng)分析從圖4.19a圖可以看出0%搭接時(shí)，葉片表面沖擊區(qū)域的殘余壓應(yīng)力維持在320MPa左右，分布比較均勻。圖4.19b25%搭接率和圖24-c50%搭接率時(shí)，沖擊區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力分布不均勻。是由于沖擊區(qū)域的邊界效應(yīng)產(chǎn)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(yīng)力洞”現(xiàn)象。殘余應(yīng)力洞現(xiàn)象的存在導(dǎo)致殘余應(yīng)力的最大值偏離光斑中心。光斑中心和邊緣處殘余壓應(yīng)力都很小，25%、50%搭接率時(shí)，后一光斑中心和前一光斑邊緣搭接，不能消除殘余應(yīng)力洞。圖4.19d中，

75%搭接率葉片表面的強(qiáng)化沖擊效果比較理想，沖擊強(qiáng)化區(qū)域的殘余壓應(yīng)力在480MPa左右，高出了0%搭接率的50%，且殘余壓應(yīng)力分布均勻。75%搭接率時(shí)，后一光斑中心正好和前一光斑半徑的中點(diǎn)處搭接，消除了應(yīng)力空洞，因此沖擊后的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)更均勻些。以上結(jié)果表明，搭接沖擊處理可在葉片表面沖擊區(qū)域獲得均勻的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，并且隨著搭接率增加，葉片表面沖擊區(qū)域的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)得到增強(qiáng)并且可以使得殘余應(yīng)力場(chǎng)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(duì)殘余應(yīng)力的影響4.雙面沖擊對(duì)殘余應(yīng)力影響葉片屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)件，激光強(qiáng)化處理薄壁結(jié)構(gòu)件，為了保證其強(qiáng)化效果，有效的減少單面沖擊強(qiáng)化引起的變形，本節(jié)采用雙面沖擊葉片表面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)化。葉片表面的激光沖擊強(qiáng)化采用正交實(shí)驗(yàn)方法得到的工藝參數(shù)，即激光功率密度Dp=3GPa，脈沖寬度τ=30ns，光斑半徑r=2.5m。以葉片表面同時(shí)沖擊強(qiáng)化為例分析葉片表面沖擊強(qiáng)化區(qū)域沖擊波的傳播。通過(guò)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(kāi)，得到的不同時(shí)刻葉片內(nèi)部von-miss等效應(yīng)力如圖4-7所示，從圖中可以清晰的看到，激光強(qiáng)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(yīng)力向外擴(kuò)散。通過(guò)截面圖更加清晰的看到葉片表面殘余壓應(yīng)力層的下方次表層形成殘余拉應(yīng)力區(qū)域的形成過(guò)程。

(a)t=100ns(b)t=200ns

(c)t=2000ns(d)t=4000ns圖4-7不同時(shí)刻截面VonMises等效應(yīng)力云圖圖4-8(a)雙面同時(shí)沖擊強(qiáng)化時(shí)，上下表面應(yīng)力分布具有相同的變化趨勢(shì)，上下表面最大殘余壓應(yīng)力分別為320.55MPa和321.00MPa,從圖4-14(b)中可以看出，沿著沖擊強(qiáng)化深度方向的殘余應(yīng)力關(guān)于葉片厚度中層面對(duì)稱分布，上、下表面最大殘余壓應(yīng)力分別為204MPa和22MPa，且上、下表面殘余應(yīng)力沿著厚度方向的變化趨勢(shì)是一致的。雙面同時(shí)沖擊強(qiáng)化能夠獲得比較均勻的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。圖4-8為非同時(shí)沖擊強(qiáng)化后葉片表面及深度方向的應(yīng)力分布。從圖4-15(a)中可以看出，先沖擊強(qiáng)化的上表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，最大值為327.28MPa，后沖擊強(qiáng)化的下表面最大殘余壓應(yīng)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(yīng)力（194MPa）要大于上表面的殘余壓應(yīng)力（134MPa）,但上表面的殘余壓應(yīng)力層深幾乎是下表面壓應(yīng)力層深度的1.5倍，在次表層有用來(lái)平衡表面的殘余壓應(yīng)力的殘余拉應(yīng)力。通過(guò)以上分析可以看出雙面同時(shí)沖擊強(qiáng)化比雙面非同時(shí)沖擊強(qiáng)化在葉片表面及深度方向能夠獲得更加均勻的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。此外，雙面同時(shí)沖擊強(qiáng)化能夠避免因單面或者雙面非同時(shí)沖擊強(qiáng)化引起的較大變形。實(shí)際應(yīng)用中，雙面同時(shí)沖擊能夠提高葉片激光沖擊強(qiáng)化的效率。雙面同時(shí)沖擊葉片殘余應(yīng)力分布(a)葉片表面殘余應(yīng)力(b)葉片厚度方向殘余應(yīng)力(a)葉片表面殘余應(yīng)力(b)葉片厚度方向殘余應(yīng)力圖4-8雙面非同時(shí)沖擊葉片殘余應(yīng)力分布五、葉片激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析本章基于優(yōu)化得到的激光工藝參數(shù)，進(jìn)行葉片的激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究。采用X射線衍射法測(cè)量處理后葉片的殘余應(yīng)力分布情況，綜合采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)方法研究沖擊參數(shù)和沖擊工藝對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。最終通過(guò)沖擊處理實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1.激光強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)中采用的激光系統(tǒng)為西安天瑞達(dá)公司生產(chǎn)的SGR-60型電光調(diào)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(jí)調(diào)Q釹玻璃激光振蕩器（釹玻璃棒φ8×200mm）、一級(jí)釹玻璃激光預(yù)放大器（釹玻璃棒φ12×250）、二級(jí)釹玻璃激光主放大器（釹玻璃棒φ20×500）組成，其總體光路排布見(jiàn)圖5-1。

激光沖擊強(qiáng)化處理裝置如圖5.2所示，整個(gè)裝置由四個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)；（4）導(dǎo)光臂與激光沖擊工作臺(tái)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≤45J；（2）激光波長(zhǎng)為1054nm；（3）激光脈沖寬度10～30ns；（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(chǎng)均勻；（6）系統(tǒng)自發(fā)輻射能量（ASE）≈20mJ；（7）工作重復(fù)頻率0.1Hz。圖5.2激光沖擊強(qiáng)化裝置激光沖強(qiáng)化葉片的材料為鈦合金（Ti-6Al-4V），鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕、屈強(qiáng)比高等優(yōu)點(diǎn)，也是基于這些特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、車(chē)輛、船舶等工業(yè)領(lǐng)域，被用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)中采用與仿真分析相同的葉片，葉片材料和機(jī)械性能分別列于表5-2。2.葉片的材料特性拉伸強(qiáng)度MPa屈服強(qiáng)度MPa延伸率%縮減率%彈性模量GPa硬度HRC96.190.216.042.111030.96表5-2TC4鈦合金機(jī)械性能3.激光強(qiáng)化參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)中激光器調(diào)整沖擊參數(shù)采用第四章正交試驗(yàn)得到的優(yōu)化參數(shù)，表5-3實(shí)驗(yàn)中激光強(qiáng)化參數(shù)功率密度脈沖寬度光斑半徑波長(zhǎng)頻率沖擊次數(shù)1.8GW/cm230ns2.5mm1.06μm0.1Hz34.殘余應(yīng)力測(cè)量X射線衍射法是一種無(wú)損性的測(cè)量方法，基本原理是：當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí)，因晶面間距變化而引起布拉格衍射峰的移動(dòng)，衍射峰移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。對(duì)于給定的金屬材料，用波長(zhǎng)

的X射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測(cè)出相應(yīng)的衍射角

，求出

對(duì)

的斜率，便可算出應(yīng)力

。衍射晶面間距L、X射線的波長(zhǎng)

以及衍射角

之間遵從布拉格定律：當(dāng)由應(yīng)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(yīng)改變。X射線應(yīng)力分析儀可以準(zhǔn)確測(cè)量出衍射角

的變化，從而根據(jù)彈性力學(xué)方程計(jì)算出應(yīng)力的大小，計(jì)算公式如式（5.2）所示：X射線衍射法測(cè)量原理2.殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果葉片表面殘余應(yīng)力沿徑向共測(cè)5個(gè)點(diǎn)，深度方向殘余應(yīng)力通過(guò)腐蝕拋光方法共測(cè)得5個(gè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果見(jiàn)圖5.4。（a）葉片表面徑向的殘余應(yīng)力分布（b）葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力分布

5.4實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比圖從葉片激光沖擊強(qiáng)化沿表面徑向分布的殘余應(yīng)力仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖5-5(a)可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光斑中心的殘余壓應(yīng)力為280.2MPa，比仿真獲得的應(yīng)力262.0MPa高了7%，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表面最大的殘余壓應(yīng)力為313.7MPa，仿真結(jié)果為358.0MPa，相差了44.3MPa。原因推斷為激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中，殘余應(yīng)力受到熱效應(yīng)、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(yīng)等，致使仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。從