激光冲击钛合金薄壁件的强化与变形研究

发布时间：2017-07-16 09:27

  本文关键词：激光冲击钛合金薄壁件的强化与变形研究

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【摘要】：激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化技术，在航空航天、精密加工制造、汽车制造、船舶制造等领域拥有广阔前景。钛合金是当前应用在航空航天领域最多的材料之一，使用激光冲击强化技术对钛合金材料的表面进行强化处理，改善钛合金材料的力学性能，使之适应于各种条件下的服役环境。本文分析了国内外有关激光冲击强化技术的研究，结合实验和有限元数值模拟，对激光冲击强化钛合金薄壁件产生的残余应力场和塑性变形进行研究和预测，主要研究内容与成果如下： 1.激光冲击强化的基本理论分析。基于激光冲击强化的物理过程，分析非约束模型和约束模型下的激光冲击波压力估算公式。分析激光冲击强化材料后残余应力场和塑性变形的产生机理。 2.基于约束模型下的激光冲击波压力换算公式，以ABAQUS软件为平台，以动力学分析和静力学分析相互迭代的模拟方法，完成了对激光冲击强化钛合金薄壁件的有限元模拟，并对所得数据进行处理，，探讨了激光冲击工艺参数和冲击方案对材料冲击效果的影响。结合激光冲击强化的工程应用，根据实际加工中的工况特点，对航空发动机叶片的模型进行了激光冲击强化的有限元仿真，对叶片冲击后的残余应力场分布和塑性变形情况进行了预测，为发动机叶片生产中的变形控制工作提供一定的理论依据。 3.对激光冲击强化过程进行了实验研究，主要对激光功率密度和冲击次数进行了多因素实验研究。利用X射线衍射法测试了激光冲击后材料表面的残余应力。实验结果表明，激光冲击技术可以使TC4钛合金薄壁件表面产生较大幅度的残余压应力和塑性变形，从而延长材料的使用寿命。研究证明对冲击后的试样进行了残余应力测试，对比实验测试值和数值模拟仿真值的结果，数据较为接近，证明数值模拟方法对激光冲击过程的仿真是可行的。 4.为了提高对激光冲击强化产生的残余应力和塑性变形的预测效率，考虑到有限元分析方法的复杂性，本文提出了基于支持向量机-粒子群优化结合算法（SVM-PSO）的激光冲击残余应力及塑性变形的预测方法。采用数值模拟过程所得数据中的72组样本进行训练，建立激光冲击强化残余应力和塑性变形预测模型。采用数值模拟数据中的36组样本进行验证，验证结果表明使用SVM-PSO结合算法能够对激光冲击强化产生的残余应力及塑性变形进行有效预测。
【关键词】：激光冲击强化 钛合金 残余应力 有限元分析 支持向量机
【学位授予单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 激光冲击强化技术的国内外研究现状10-12
• 1.2.1 激光冲击波压力模型10
• 1.2.2 激光冲击强化实验10-11
• 1.2.3 激光冲击强化技术的工程应用11-12
• 1.3 课题主要研究内容12-13
• 第2章 薄壁件激光冲击强化的理论分析13-20
• 2.1 激光冲击强化的物理过程13
• 2.2 激光冲击波的形成13-14
• 2.3 激光冲击波压力的估算14-17
• 2.3.1 非约束模型下的激光冲击波压力的估算14-15
• 2.3.2 约束模型下的激光冲击波压力的估算15-17
• 2.4 残余应力场及塑性变形的产生机理17-19
• 2.4.1 残余应力场的产生17
• 2.4.2 激光冲击金属材料残余应力场及塑性变形的产生17-19
• 2.5 本章小结19-20
• 第3章 激光冲击强化 TC4 钛合金薄壁件的数值模拟20-40
• 3.1 激光冲击强化数值模拟流程20
• 3.2 模拟过程中关键问题的解决20-24
• 3.2.1 仿真模型的建立20-21
• 3.2.2 几何模型的建立21
• 3.2.3 网格的划分和单元类型的选择21-22
• 3.2.4 材料的本构模型22-23
• 3.2.5 激光冲击波压力的加载23-24
• 3.3 单点激光冲击钛合金薄壁件的数值模拟24-31
• 3.3.1 冲击波在靶材内部的传播24-26
• 3.3.2 残余应力场的分析26-28
• 3.3.3 表面形貌的分析28-29
• 3.3.4 激光冲击参数对强化效果的影响29-31
• 3.4 多点激光冲击钛合金薄壁件的数值模拟31-35
• 3.4.1 多点搭接激光冲击的数值模拟31-34
• 3.4.2 有限面积上的多重叠激光冲击的数值模拟34-35
• 3.5 激光冲击发动机叶片的强化和变形效果预测35-39
• 3.5.1 叶片模型的建立及边界条件的设置36-37
• 3.5.2 冲击载荷的设定37
• 3.5.3 模拟结果分析37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 激光冲击强化 TC4 钛合金薄壁件实验研究40-49
• 4.1 实验材料及设备的准备40-42
• 4.2 单点/多点多次激光冲击实验42-43
• 4.3 残余应力测试43-46
• 4.3.1 残余应力的测试设备43-44
• 4.3.2 测试原理介绍44-45
• 4.3.3 测试方案及测试结果45-46
• 4.4 残余应力的实验测试值与仿真值的对比46-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 支持向量机-粒子群结合算法的残余应力场及变形预测49-58
• 5.1 支持向量机算法简介49
• 5.2 粒子群算法简介49-50
• 5.3 基于 SVM-PSO 结合算法的激光冲击残余应力和塑性变形预测50-56
• 5.4 本章小结56-58
• 第6章 总结与展望58-60
• 6.1 全文总结58-59
• 6.2 前景展望59-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：548039