本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法。

背景技術(shù)：

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種新型的材料表面強(qiáng)化手段，它是通過高功率密度(gw/cm²量級(jí))、脈沖寬度(ns量級(jí))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(duì)金屬表面產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表層產(chǎn)生塑性應(yīng)變，激光作用結(jié)束時(shí)，由于沖擊區(qū)域材料的反作用，在其內(nèi)部產(chǎn)生具有一定深度的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力的存在引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長(zhǎng)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(qū)域的激光，其沖擊強(qiáng)化過程由于機(jī)理復(fù)雜同時(shí)受到多種可變因素的影響，給激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的優(yōu)化帶來很大困難。單單依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)采用多次嘗試的方法，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金。進(jìn)而有限元模擬方法被用來輔助激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的選擇，同時(shí)通過分析應(yīng)力應(yīng)變和位移的變化來解釋強(qiáng)化機(jī)理。在有限元模擬方面braisted和brockman首次采用abaqus/explicit+abaqus/implicit的方法進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化的模擬，后人也大多采用這種有限元模擬方法，但是對(duì)于多光斑激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，這種方法不但耗時(shí)而且需要不斷將每個(gè)光斑顯式分析的結(jié)果帶入隱式分析中去，直到所有的光斑都分析結(jié)束，同時(shí)針對(duì)不同工藝參數(shù)(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(jìn)的有限元模擬方法對(duì)多光斑的激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)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(qiáng)化參數(shù)優(yōu)化困難等問題，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法，該激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化參數(shù)優(yōu)化困難的問題。

為了達(dá)到上述第一個(gè)目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法，包括步驟：

在abaqus中建立三維模型，設(shè)置材料性能參數(shù)，采用johnson-cook本構(gòu)方程，設(shè)置動(dòng)態(tài)顯式分析步并使得在每個(gè)分析步中靶材內(nèi)部塑性變化達(dá)到最大值，同時(shí)動(dòng)能最后趨近于0；

對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行子程序編輯，實(shí)現(xiàn)載荷的施加；

網(wǎng)格劃分，在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；

創(chuàng)建分析作業(yè)進(jìn)行explicit求解，獲得殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，所述網(wǎng)絡(luò)劃分，具體包括：

激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域采用單元類型c3d8r進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并將激光沖擊靶材的邊界區(qū)域設(shè)置為無限單元并采用c3d8進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

所述創(chuàng)建分析作業(yè)進(jìn)行explicit求解，獲得殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布，具體包括：

創(chuàng)建分析作業(yè)生成inp文件，在inp文件中將無限單元的單元類型改為cin3d8，生成新的inp文件；再次創(chuàng)建分析作業(yè)，同時(shí)調(diào)用新的inp文件和子程序，提交分析作業(yè)及后處理，最終得到殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，本方法的實(shí)施只需進(jìn)行顯式分析，每個(gè)顯式分析步的時(shí)間為8×10^-6s。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，所述對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行子程序編輯，具體包括：

使用fortran語言編輯子程序，對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行編輯。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，所述激光為三維平頂高斯光束，在z＝0處的空間分布為下式：

式中，n，m，w0x，w0y分別為平頂高斯光束在x、y方向的階數(shù)和束腰寬度。

應(yīng)用本發(fā)明提供的激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法，對(duì)于多光斑的激光強(qiáng)化沖擊，只需進(jìn)行顯式分析，采用子程序?qū)崿F(xiàn)不同位置不同時(shí)刻的加載，提高了效率，同時(shí)對(duì)于不同的工藝參數(shù)(激光功率密度、光斑半徑、沖擊強(qiáng)化路線、強(qiáng)化次數(shù)、搭接率、脈寬)，只需建立一次分析模型，其余工作通過子程序來完成。因此該方法具有快速化、低成本、簡(jiǎn)便易行、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，工程應(yīng)用前景好。能夠方便快捷的對(duì)多光斑的激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行模擬，從而對(duì)參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法的流程示意圖；

圖2為激光沖擊波加載曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種有限元模擬方法，以便于多光斑的激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)優(yōu)化。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-圖2，圖1為本發(fā)明實(shí)施的激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法的流程示意圖；圖2為激光沖擊波加載曲線。

在示意圖中，一種激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法，包括以下步驟：

s1：在abaqus中建立三維模型，設(shè)置材料性能參數(shù)，采用johnson-cook本構(gòu)方程，設(shè)置動(dòng)態(tài)顯式分析步并使得在每個(gè)分析步中靶材內(nèi)部塑性變化達(dá)到最大值，同時(shí)動(dòng)能最后趨近于0；

具體每個(gè)分析步的時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，此處可以不作具體限定。

s2：對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行子程序編輯，實(shí)現(xiàn)載荷的施加；

也就是通過子程序?qū)崿F(xiàn)載荷的施加，具體載荷的參數(shù)等可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，詳細(xì)請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。

s3：網(wǎng)格劃分，在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；

s4：創(chuàng)建分析作業(yè)進(jìn)行explicit求解，獲得殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布。

此分析過程只需采用explicit求解器，即可獲得殘余應(yīng)力和位移變形分布。通過子程序?qū)崿F(xiàn)了多光斑不同位置不同時(shí)刻的加載，給載荷的施加帶來了很大方便。

應(yīng)用本發(fā)明提供的激光沖擊強(qiáng)化的有限元模擬方法，對(duì)于多光斑的激光強(qiáng)化沖擊，只需進(jìn)行顯式分析，采用子程序?qū)崿F(xiàn)不同位置不同時(shí)刻的加載，提高了效率，同時(shí)對(duì)于不同的工藝參數(shù)(激光功率密度、光斑半徑、沖擊強(qiáng)化路線、強(qiáng)化次數(shù)、搭接率、脈寬)，只需建立一次分析模型，其余工作通過子程序來完成。因此該方法具有快速化、低成本、簡(jiǎn)便易行、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，工程應(yīng)用前景好。能夠方便快捷的對(duì)多光斑的激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行模擬，從而對(duì)參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

進(jìn)一步地，上述步驟s3中，具體包括：

激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域采用單元類型c3d8r進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并將激光沖擊靶材邊界區(qū)域設(shè)置為無限單元并采用c3d8進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

則，步驟s4中創(chuàng)建分析作業(yè)進(jìn)行explicit求解，獲得殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布，具體包括：

創(chuàng)建分析作業(yè)生成inp文件，在inp文件中將無限單元的單元類型改為cin3d8，生成新的inp文件；再次創(chuàng)建分析作業(yè)，同時(shí)調(diào)用新的inp文件和子程序，提交分析作業(yè)及后處理，最終得到殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，只需進(jìn)行顯式分析，并且每個(gè)顯式分析步的時(shí)間為8×10^-6s。根據(jù)具體需要，也可以對(duì)顯式分析步的時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

具體的，上述有限元模擬方法中，對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行子程序編輯，具體包括：

使用fortran語言編輯子程序，對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行編輯。采用fortran語言進(jìn)行子程序編輯，便于對(duì)子程序的調(diào)用，根據(jù)需要也可以采用其他常規(guī)的機(jī)器語言編輯子程序。

優(yōu)選地，上述有限元模擬方法中，所述激光為三維平頂高斯光束，在z＝0處的空間分布為下式：

式中，n，m，w0x，w0y分別為平頂高斯光束在x、y方向的階數(shù)和束腰寬度。根據(jù)需要也可以采用其他常規(guī)的激光束。

以下以一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式為例進(jìn)行說明。

以材料2050-t8鋁合金為例，進(jìn)行有限元模擬，包括以下步驟：

步驟1，在abaqus中建立幾何模型及定義材料和截面屬性：幾何尺寸為25mm*25mm*5mm，材料密度為2750kg/m³，泊松比0.33，彈性模量為72gpa。采用johnson-cook模型來描述2050-t8的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，公式(1)為該模型的表達(dá)式。

式中：a為屈服強(qiáng)度，b和n反應(yīng)了材料的應(yīng)變硬化特征，c反映了應(yīng)變率對(duì)材料性能的影響，εp代表等效塑性應(yīng)變，為靜態(tài)應(yīng)變速率，本文中取值為a＝510mpa，b＝200mpa，n＝0.45，c＝0.02，設(shè)置動(dòng)態(tài)顯式分析步應(yīng)確保在每個(gè)分析步中靶材內(nèi)部塑性變化達(dá)到最大值，同時(shí)動(dòng)能最后接近于0，每個(gè)分析步的時(shí)間設(shè)置為8×10^-6s；

施加載荷：激光功率密度為3.5gw/cm²，采用圓形光班，光斑直徑1.5mm，脈沖寬度設(shè)置為10ns，三維平頂高斯光束在z＝0處的空間分布為公式2，激光沖擊波加載曲線為圖2，使用fortran語言編輯子程序，對(duì)多光斑的激光沖擊時(shí)間和位置分布進(jìn)行編輯；

式中，n，m，w0x，w0y分別為平頂高斯光束在x、y方向的階數(shù)和束腰寬度。

步驟3，網(wǎng)格劃分：在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，采用單元類型為c3d8r；將激光沖擊靶材邊界區(qū)域設(shè)置為無限單元，該部分首先采用單元類型c3d8，單元尺寸大小為150μm*150μm*50μm；

步驟4，創(chuàng)建分析作業(yè)生成inp文件，在inp文件中將無限單元部分的單元類型改為cin3d8，生成新的inp文件；再次創(chuàng)建分析作業(yè)，同時(shí)調(diào)用新的inp文件和fortran語言編輯的子程序，提交分析作業(yè)及后處理，最終得到殘余應(yīng)力場(chǎng)和位移變形分布。

對(duì)三維平頂高斯光束激光沖擊強(qiáng)化的鋁合金板采用有限元軟件abaqus進(jìn)行模擬分析，此分析過程只需采用explicit求解器，即可獲得殘余應(yīng)力和位移變形分布。本發(fā)明通過fortran語言編輯子程序?qū)崿F(xiàn)了多光斑不同位置不同時(shí)刻的加載，給載荷的施加帶來了很大方便，同時(shí)在優(yōu)化沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)(激光功率密度、光斑半徑、沖擊強(qiáng)化路線、強(qiáng)化次數(shù)、搭接率、脈寬)上帶來了很大方便，在研究以上工藝參數(shù)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的影響時(shí)只需建立一次分析模型，其余的工作在子程序中完成即可，提高了建模效率。同時(shí)本有限元模型采用了無限單元作為反射邊界，防止在邊界上產(chǎn)生應(yīng)力波反射，重新進(jìn)入模型，從而導(dǎo)致結(jié)果不正確，無限單元的使用還可以減少計(jì)算時(shí)間。該模擬方法具有建模效率高、成本低、計(jì)算準(zhǔn)確、時(shí)間短的特點(diǎn)，具有一定的工程應(yīng)用前景。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。