本發(fā)明涉及到激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域中表面粗糙度計(jì)算的方法，具體是一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬表面改性技術(shù)，其基本原理是利用高功率密度、短脈沖激光在金屬表面誘導(dǎo)高壓沖擊波并作用于金屬表面，在表層金屬材料內(nèi)引入具有一定深度的殘余壓應(yīng)力，從而大幅度提高材料表面的抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕等性能。大量研究證明激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能夠降低裂紋擴(kuò)展速度，延長裂紋萌生時間。

零件表面粗糙度是評定表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，表面粗糙度的大小將直接影響零件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性，金屬材料在激光沖擊波作用下發(fā)生局部塑性變形，從而在板料表面形成一定深度的微凹坑，引起表面粗糙度的增大，對其抗疲勞性能產(chǎn)生一定負(fù)面影響。因此對激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的研究具有一定的實(shí)際意義，現(xiàn)有研究主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，即采用實(shí)驗(yàn)的方法對不同的激光工藝參數(shù)對零件表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，然后采用測量儀器對激光沖擊處理后的零件表面進(jìn)行粗糙度測量，從而在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，但是沖擊強(qiáng)化過程機(jī)理復(fù)雜同時受到諸多可變因素的影響，這給激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)實(shí)施帶來很大困難。同時考慮到單單依靠實(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)一定的時間和費(fèi)用。因此迫切需要一種新的計(jì)算方法來確定激光沖擊強(qiáng)化零件表面粗糙度的數(shù)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有確定激光沖擊強(qiáng)化零件表面粗糙度數(shù)值的局限性，特別是對于多光斑的激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)需要耗時耗資方面，本發(fā)明提出一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法，從而大量降低實(shí)驗(yàn)成本，分析激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)對表面粗糙度的影響，從而在較少的時間內(nèi)得到最佳的工藝參數(shù)。

其采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

(1)在有限元軟件abaqus中，對多光斑激光沖擊強(qiáng)化的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，在此過程中需要設(shè)置材料性能，確定顯式分析步的時間，同時采用fortan編輯子程序?qū)d荷的施加過程進(jìn)行編輯，最后提交分析作業(yè)及后處理得到零件表面的位移分布；

(2)在matlab中對數(shù)值模擬得到的零件表面位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，同時利用最小二乘法來確定表面形貌輪廓中線位置；

(3)將數(shù)值模擬得到的表面數(shù)據(jù)帶入提出的表面粗糙度離散化公式，得到表面粗糙度數(shù)值，對取至不同采樣路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)得出的表面粗糙度數(shù)值進(jìn)行平均化處理。

本發(fā)明提出的一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法。本方法的激光沖擊強(qiáng)化過程數(shù)值模擬只需進(jìn)行顯式分析，對于多光斑的激光沖擊強(qiáng)化載荷施加過程，采用fortran語言編輯的子程序?qū)崿F(xiàn)不同位置不同時刻的加載，提高了效率，同時采用matlab對不同采樣路徑上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，進(jìn)一步提高了確定輪廓中線的效率和準(zhǔn)確性，最后將由不同的工藝參數(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)得到的表面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)帶入所提出的表面粗糙度離散化公式，確定表面粗糙度數(shù)值，因此該方法具有快速化、低成本、簡便易行、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，工程應(yīng)用前景好。

附圖說明

圖1為一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法的流程圖。

圖2為模擬數(shù)據(jù)表面采樣路徑分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例求表面粗糙度ra，同時按照本方法思路也可以求得rz和ry，本發(fā)明的技術(shù)方案作以下詳細(xì)描述：

1.首先是針對多光斑的激光沖擊強(qiáng)化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，此過程只需采用explicit求解器。

多光斑激光沖擊強(qiáng)化過程數(shù)值模擬包括以下步驟：

1.1.建立幾何模型及定義材料屬性：幾何尺寸為40mm*40mm*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鋁合金的動態(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反映了材料的應(yīng)變硬化特征，c反映了應(yīng)變率對材料性能的影響，εp代表等效塑性應(yīng)變，代表參考應(yīng)變速率，代表動態(tài)應(yīng)變率，本文中上述參數(shù)取值為a＝510mpa,b＝200mpa,n＝0.45,c＝0.02,

1.2.設(shè)置顯式分析步：分析步的時間應(yīng)確保在每個分析步中動能最后趨近于0，本分析實(shí)例中時間設(shè)置為8×10^-3s；

1.3.施加載荷和劃分網(wǎng)格：激光功率密度為3.5gw/cm²，采用方形光班，光斑大小為4mm，脈沖寬度設(shè)置為10ns，搭接率為50％，使用fortran編輯子程序進(jìn)行多光斑不同位置和不同時刻載荷的施加；在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格大小為150μmx150μmx50μm；

1.4.提交分析作業(yè)及后處理：完成有限元計(jì)算，得到激光沖擊強(qiáng)化的數(shù)值模擬結(jié)果，包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。

2.利用matlab對數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，利用最小二乘法來確定表面形貌輪廓中線位置，即確定公式2。

z＝a·x+b(2)

3.將數(shù)值模擬得到的表面數(shù)據(jù)帶入提出的表面粗糙度離散化公式，得到表面粗糙度數(shù)值，對取至不同采樣路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)得出的表面粗糙度數(shù)值進(jìn)行平均化處理，得到表面粗糙度ra為0.355μm，表面粗糙度離散化公式為方程式3。

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技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法，采用有限元軟件ABAQUS首先對多光斑的激光沖擊強(qiáng)化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得強(qiáng)化后零件表面不同采樣路徑節(jié)點(diǎn)的位移分布，然后利用Matlab對數(shù)值模擬得到的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理，確定表面形貌輪廓中線的位置，最后將數(shù)值模擬得到的表面數(shù)據(jù)帶入所提出的表面粗糙度離散化計(jì)算公式，得到表面粗糙度的數(shù)值。本發(fā)明考慮到激光沖擊強(qiáng)化過程機(jī)理的復(fù)雜以及諸多可變因素的影響，單純依靠實(shí)驗(yàn)獲得零件表面粗糙度的方法，需要耗費(fèi)大量的時間和資金，從而提出了一種基于數(shù)值計(jì)算的激光沖擊強(qiáng)化表面粗糙度的計(jì)算方法來獲得零件表面粗糙度，從而可以進(jìn)一步優(yōu)化激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：張永康;朱然;楊青天;黃志剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.06
技術(shù)公布日：2017.10.03