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激光冲击成形是利用激光与物质的相互作用诱导的冲击波使金属板料发生塑形变形的一种新型的板料塑形成形技术。自提出激光冲击成形概念以来,人们就希望将该项技术应用于实际生产中,但把这一技术应用于生产还有许多科学技术问题需要解决,如薄板激光冲击成形中应力波的传播特性、应力波与材料作用产生的层裂和减薄失效问题。基于此,本文采用理论、数值模拟和试验相结合的方法,对3003H16铝合金薄板激光冲击成形中应力波传播特性及与材料作用机理进行了研究和探索,希望能够解决金属薄板激光冲击成形中的层裂和减薄失效问题,进一步丰富和发展铝合金薄板激光冲击成形中应力波理论,同时也为优化激光冲击成形性能提供依据。
本文的主要工作和结果有以下几点:
(1)以应力波理论为基础,分析了铝合金材料内部应力波产生和传播过程,采用特征线法对3003H16铝合金薄板激光冲击成形中应力波结构、弹塑性波相互耦合效应进行了研究。表明铝合金薄板应力波传播过程中存在着无应力区、弹性加载区、塑性加载区、迎面卸载区和追赶卸载区。
(2)应用ABAQUS有限元软件,建立了3003H16铝合金薄板激光冲击成形的有限元分析模型,着重从水平和厚度方向节点路径的角度对铝合金薄板激光冲击成形中应力波传播的一般过程进行了研究。
(3)采用数值模拟的方法获得了不同激光工艺参数、不同板料厚度和不同凹模孔径大小对铝合金薄板中应力波传播特性及与材料作用机理的影响规律,首次给出了铝合金薄板激光冲击成形过程中出现层裂和减薄失效问题的时空分布规律。
(4)通过激光冲击成形试验,研究了不同激光工艺参数对应力波与材料作用产生层裂和减薄失效机制的影响,给出了铝合金薄板激光冲击成形工艺参数选择准则,验证了层裂和减薄时空分布规律图的正确性。结果表明:层裂裂纹形貌呈“×”状,而减薄失效裂纹形貌呈细线状,同时铝合金薄板层裂和减薄失效问题的产生存在着激光能量和光斑半径阀值。
本文对铝合金薄板激光冲击成形中应力波传播特性及于材料作用机理进行了研究,建立了数值模型,着重分析了不同激光工艺参数、板料厚度和凹模孔径对应力波传播特性及层裂和减薄失效的影响,首次给出了层裂和减薄时空分布规律图,通过铝合金薄板激光成形试验,阐明了不同激光工艺条件下,铝合金薄板层裂和减薄失效规律,丰富和发展了板料激光冲击成形中应力波理论,同时也为优化激光成形工艺参数及预防板料激光成形中出现层裂和减薄失效提供了技术基础。