[發明專利]激光沖擊強化的有限元模擬方法

有效

• 申請號: 201710392734.2
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107217133B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 張永康;朱然;楊青天;黃志剛
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;C21D10/00;C21D11/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 羅滿

本發明公開了一種激光沖擊強化的有限元模擬方法，包括步驟：在ABAQUS中建立三維模型，設置材料性能參數，采用Johnson?Cook本構方程，設置動態顯式分析步并使得在每個分析步中靶材內部塑性變化達到最大值，同時動能最后趨近于0；對多光斑的激光沖擊時間和位置分布進行子程序編輯，實現載荷的施加；網格劃分，在激光沖擊強化區域進行網格細化；創建分析作業進行Explicit求解，獲得殘余應力場和位移變形分布。本發明提供的激光沖擊強化的有限元模擬方法，具有快速化、低成本、簡便易行、計算準確的特點，工程應用前景好。能夠方便快捷的對多光斑的激光沖擊強化進行模擬，從而對參數優化提供可靠依據。

技術領域

本發明涉及激光沖擊強化技術領域，更具體地說，涉及一種激光沖擊強化的有限元模擬方法。

背景技術

激光沖擊強化技術是一種新型的材料表面強化手段，它是通過高功率密度(GW/cm²量級)、脈沖寬度(ns量級)的激光束通過透明約束層，作用于涂覆在金屬靶材表面的吸收涂層，涂層材料吸收激光能量迅速氣化，形成高溫、高壓的等離子體，該等離子體受到約束層的作用對金屬表面產生高強度的沖擊波。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料表層產生塑性應變，激光作用結束時，由于沖擊區域材料的反作用，在其內部產生具有一定深度的殘余壓應力，殘余壓應力的存在引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長零件的壽命。

三維平頂高斯光束是一類光能量空間分布具有一均勻平頂區域的激光，其沖擊強化過程由于機理復雜同時受到多種可變因素的影響，給激光沖擊強化工藝參數的優化帶來很大困難。單單依靠實驗數據和操作經驗采用多次嘗試的方法，需要耗費大量的時間和資金。進而有限元模擬方法被用來輔助激光沖擊強化工藝參數的選擇，同時通過分析應力應變和位移的變化來解釋強化機理。在有限元模擬方面Braisted和Brockman首次采用ABAQUS/Explicit+ABAQUS/Implicit的方法進行了激光沖擊強化的模擬，后人也大多采用這種有限元模擬方法，但是對于多光斑激光沖擊強化時，這種方法不但耗時而且需要不斷將每個光斑顯式分析的結果帶入隱式分析中去，直到所有的光斑都分析結束，同時針對不同工藝參數(光斑半徑、搭接率、沖擊路線等)，需要建立多次分析模型，因此迫切需要一種改進的有限元模擬方法對多光斑的激光沖擊強化進行模擬分析。

綜上所述，如何有效地解決多光斑的激光沖擊強化參數優化困難等問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的第一個目的在于提供一種激光沖擊強化的有限元模擬方法，該激光沖擊強化的有限元模擬方法可以有效地解決多光斑的激光沖擊強化參數優化困難的問題。

為了達到上述第一個目的，本發明提供如下技術方案：

一種激光沖擊強化的有限元模擬方法，包括步驟：

在ABAQUS中建立三維模型，設置材料性能參數，采用Johnson-Cook本構方程，設置動態顯式分析步并使得在每個分析步中靶材內部塑性變化達到最大值，同時動能最后趨近于0；

對多光斑的激光沖擊時間和位置分布進行子程序編輯，實現載荷的施加；

網格劃分，在激光沖擊強化區域進行網格細化；

創建分析作業進行Explicit求解，獲得殘余應力場和位移變形分布。

優選地，上述有限元模擬方法中，所述網格劃分，在激光沖擊強化區域進行網格細化，具體包括：

激光沖擊強化區域采用單元類型C3D8R進行網格細化，并將激光沖擊靶材的邊界區域設置為無限單元并采用C3D8進行網格劃分；

所述創建分析作業進行Explicit求解，獲得殘余應力場和位移變形分布，具體包括：