基于激光冲击的铝合金结构圆角强化残余应力分布及疲劳研究

摘要

圆角结构由于其存在应力集中，在受载时更易产生疲劳裂纹源发生断裂。相对于传统的圆角结构强化工艺，激光冲击强化技术可以显著提高材料的硬度、强度、疲劳强度等机械性能和使用寿命，极具研究价值。本文采用仿真与试验相结合的方法，研究激光工艺参数对残余应力场及疲劳特性的影响，主要内容如下:
　　1)研究了激光冲击圆角构件残余应力场的形成，对比分析了曲面结构的伸缩效应及其对残余应力的影响规律;研究分析了纯外载与圆角结构激光强化后残余应力相互作用对应力强度因子的影响。
　　2)建立了基于ABAQUS分析软件的7050-T7451铝合金圆角构件仿真模型，解决了分析中的一些关键技术;采用分析软件，对载荷半高宽、峰值压力、冲击层数三个因素分析圆角构件残余应力场的影响规律进行了研究。结果表明，随着载荷半高宽的增大，强化曲面的轴向、周向、径向的残余应力均增大，但增加幅度逐渐减小;随着峰值压力增大，激光冲击区域范围内试样表面的残余应力增大，对未冲击区域的影响范围扩大;当峰值压力较大时，增加冲击层数使曲面区域轴向、周向的残余应力逐渐增大现象更为明显;载荷半高宽与峰值压力对应力分布的影响密切相关，且二者都存在一个合适的范围，无论过大或过小都不利于形成合理的应力分布;以上三个因素对曲面结构的应力分布影响存在相互协同的关系，在工艺参数选择时要兼顾考虑。
　　3)在不同工艺参数下，对7050-T7451铝合金圆角构件进行激光冲击强化试验及疲劳试验。结果表明:圆角半径为3 mm(R3)试样，优化后的激光功率密度参数冲击强化后疲劳寿命是强化前的2倍左右，采用较小的激光功率密度其疲劳增益降低;随冲击层数的增加，疲劳寿命增加，冲击两层后疲劳寿命是强化前的2倍左右，而经一层冲击强化后疲劳寿命是强化前的1倍左右;在相同的激光冲击工艺参数条件下，较高的加载应力水平，其激光冲击强化效应呈下降趋势。
　　4)对比分析激光冲击前后疲劳断口形貌特征，并引入应力强度因子的概念探讨了激光冲击强化后圆角构件在外载作用下裂纹扩展的机理。研究表明，未强化端疲劳裂纹源较多，每个裂纹源以放射状向外直线扩展;随着激光功率密度增大，强化端的裂纹源向远离冲击区域方向移动，且裂纹以曲线方式扩展;激光功率密度较大时，疲劳裂纹源萌生于过渡圆角棱边区域;激光冲击强化产生的残余应力降低了裂纹尖端的应力强度因子幅，从而降低了裂纹扩展速率，提高了疲劳寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击强化技术

1．2．1 激光冲击强化原理

1．2．2 工艺特点比较

1．3 激光冲击强化结构圆角的研究现状

1．4 本文的研究意义及主要内容

1．4．1 选题目的与研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 激光冲击圆角结构诱导残余应力理论分析

2．1 引言

2．2 激光冲击波的约束模型

2．3 圆角构件残余应力场的形成

2．3．1 激光冲击强化作用下材料的塑性变形

2．3．2 残余应力场的形成

2．3．3 曲面结构的伸缩效应

2．4 结构圆角强化后的应力强度因子分析

2．4．1 圆角构件的应力集中现象

2．4．2 纯外载作用下的应力强度因子K

2．4．3 激光强化后残余应力的应力强度因子Krs

2．4．4 激光冲击强化对应力强度因子的作用

2．5 本章小结

第三章 铝合金圆角构件激光冲击残余应力场仿真分析

3．1 引言

3．2 激光冲击圆角构件有限元分析方法及模型

3．2．1 有限元分析方法

3．2．2 建模中关键问题的说明

3．3 载荷半高宽对结构圆角应力分布的影响

3．4 峰值压力对结构圆角应力分布的影响

3．5 冲击层数对结构圆角应力分布的影响

3．6 本章小结

第四章 激光强化铝合金结构圆角的疲劳研究

4．1 引言

4．2 激光强化试验

4．2．1 激光设备

4．2．2 试样制备

4．2．3 激光冲击工艺参数

4．3 疲劳试验及断口分析

4．3．1 试验设备与参数

4．3．2 疲劳试验结果与分析

4．3．3 疲劳断口形貌分析

4．3．4 残余应力对圆角结构疲劳裂纹的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果