304不锈钢激光弯曲的实验研究及数值模拟

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激光弯曲是一种新兴的工业加工工艺,它是通过高能激光束扫描材料表面,在材料内部产生的不均匀温度场以及热应力来改变材料外形。它是一种无模具、非接触的成形工艺;它具有生产周期短,加工精度高,不会产生大幅度的回弹等优点。除此之外,由于激光弯曲属于热态累计成形,所以它可以加工常温下不易变形的材料,如硅、陶瓷和玻璃等。并且,通过不同的扫描路径与激光参数相配合,可以成形多种复杂形状的工件。由于以上特点,激光弯曲技术在航空航天,汽车,MEMS,船舶制造等领域具有广阔的发展前景。  本文首先通过建立激光弯曲过程中的三维有限元模型,对这一热力耦合问题进行了模拟。利用APDL编程语言实现了从温度场到应力场的转化。根据温度场、应力场以及位移场在扫描过程中的各个阶段分布情况,对产生这一现象的原因进行了逐个的分析。然后通过实验发现不锈钢板弯曲角度与随激光扫描速度、激光泵浦电流、扫描次数以及Q频率的关系。并且通过正交实验得到其影响排序。发现角度增量随扫描次数的趋势。之后将BP神经网络算法引入到激光弯曲修复当中来。通过MATLAB编程,以弯曲角度、泵浦电流大小、Q频率和扫描次数作为输入,扫描速度作为输出建立网络。并将实验数据分为训练组和测试组。将训练好的网络用以预测,来得到修复弯曲试件所需要的工艺参数。最后,分别从光斑变化以及受力情况两个方面分析比较了单边夹持方式和对称夹持方式在激光弯曲修复中的优劣。  研究结论如下:  (一)在有限元分析中,发现上下表面存在一个大的温度梯度,这是激光弯曲变形的主要原因。  (二)通过实验发现弯曲角度随激光泵浦电流、扫描次数以及Q频率的增大而增大;随激光扫描速度的增大而减小。并且通过正交实验得到其影响排序:扫描速度>激光泵浦电流>Q频率>扫描次数。弯曲角度最优组:泵浦电流45A,扫描速度10mm/s,Q频率为50kHz,扫描次数为40次。除此之外,还发现角度增量随扫描次数的变化呈现先增后减的趋势。  (三)作者将弯曲角度、泵浦电流大小、扫描次数和Q频率作为输入,通过BP神经网络,来预测扫描速度,得到了较为理想的结果。也为修复弯曲提供工艺参考。  (四)作者将激光弯曲工艺应用到修复实验中,采用单边夹持和对称夹持的方式比较,得出对称夹持更加适合弯曲修复的结论。  本文先通过有限元分析的方法从理论上和机理上对激光弯曲技术有了进行一个底层的分析。接着从具体实验着手,引入实验数据,通过分析找到其实际加工中存在的规律,并且将实验过程中发现的各种现象做了进一步的挖掘。最终将总结的规律、经验付诸到了实际应用中。
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