船用高速泵叶片微激光冲击强化仿真试验

朱定伟 汪 杰 陈 薇

中国卫星海上测控部 江苏江阴 214431

【摘要】 高速泵的叶片在高速旋转中容易因为高速振动和气蚀而导致失效。提高关键部位的疲劳强度和表面硬度，可以保证泵的安全使用。相比较于传统改善材料表面性能的工艺（喷丸，滚压，挤压），微激光冲击强化有很多优点，同时工艺环境也有严格的要求，工艺参数的研究有非常重要的意义。本文通过ABAQUS软件的数值仿真模拟了微激光冲击强化过程以及简化了在曲面上的微激光冲击强化的模型。通过改变激光冲击强化的模型，并比较两个模型的模拟结果，对两个模型的模拟结果的应力做出了量化的评估。

【关键词】微激光冲击强化 力学性能 数值仿真 高速泵叶片

1前言

船用高速泵面临着恶劣的作业条件，叶片在高速旋转中容易因为疲劳振动而断裂，同时叶片气蚀后容易发生振动疲劳断裂^{Error: Reference source not found}，提高高速泵叶片的表面性能有重大意义。激光冲击强化作为一种金属材料表面改性技术，可以大幅提高船用高速泵叶片的表面性能，进而提高泵叶整体的抗疲劳和抗腐蚀性能^{Error: Reference source not found}。

实验中微激光冲击强化的实验成本很高，并且在没有数值模拟的指导下试验成功的可能性很低。由于计算机技术的日益提高，有限元分析的结果越来越逼近真实实验甚至和实际实验过程一样。在激光冲击强化的数值模拟过程中冲击压力计算，仿真模型的建立对数值模拟结果的准确性有很大的影响。

2微激光冲击强化原理简介

微激光冲击强化（uLSP）：利用短脉冲(一般在50ns以内)、高功率密度的激光通过透明约束层,作用于金属表面所涂覆或贴附的吸收层上,吸收层吸收激光能量后迅速气化,形成稠密的高温、高压等离子体,该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀,然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时,材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后,由于冲击区域周围材料的反作用,其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力^{Error: Reference source not found}。从而抑制工件表面的裂纹的产生和裂纹的扩展。如图1

图
1激光冲击原理示意图

而微小尺度的激光冲击强化与大光斑的激光冲击强化相比，微激光冲击强化具有光斑小，冲击作用力集中，冲击坑深度浅，获得的残余压应力层深度浅，对零件冲击作用力小等优点。

3微激光冲击强化仿真

3.1曲面的激光冲击的压力分布

激光作用于曲面上时，曲面上产生的冲击压力的方向为曲面的外法线方向。同样强度的激光冲击到相同正投影面积的曲面上得到的冲击压力相同。但是当激光光束冲击到曲面上时，实际作用的面积区域比平面大从而导致单位面积上的强度降低。并且，等离子体在曲面上膨胀与平面上不同，所以曲面上的激光冲击强化的冲击压力的径向开始松弛的时间与平面上的不同。但是由于光斑半径很小，可以忽略这个因素的而影响。最终只考虑由于几何因素所引起的冲击压力的差异。二者差异示意图如图2：

图
2 平面激光冲击与曲面激光冲击的差异示意图

投影关系可以折算出，曲面上的激光冲击强化的冲击压力的时间空间函数^[3]。如公式（1）：

（1）

式中：

——曲面的外法线与激光束的轴线的夹角

如图所示，假设光斑的圆心的坐标为 ，曲面任意一点（冲击范围内） ，而此处的外法线的方向向量为 。设定激光束中心轴线与曲面的交点坐标为 。则可以得出激光束轴线的方向向量为 。而从光斑圆心到任意计算点的向量为 。

由线性代数所学的知识可以计算出

（2）

而从任意计算点到激光轴线的距离如下式

（3）

由公式（1）、（2）和公式（3）可以推出曲面的激光冲击强化的冲击压力分布函数为

（4）

3.2 Johnson-Cook 本构模型

因为在激光冲击强化过程中，冲击强度高，作用时间短导致应变速度快。而且仿真分析时需要考虑冲击后的产生屈服后材料的特性，而JC模型^[4]适用于模拟高应变速率下的金属材料，所以采用ABAQUS自带的JC模型来模拟材料的动态力学特性。其表示形式为：

（5）

式中：

——应力

——应变

——应变率

——应变率（在本文中其数值取

）

——温度的相对变化率；

——材料的参数

——加工硬化的指数。

对于本文使用的TC4合金的材料参数和加工硬化指数如下表：

表 1 JC模型中 TC4的材料参数和加工硬化指数

而公式中的温度相对变化率可以由下列公式计算而来：

（1-6）

式中：

——材料的实际温度

——室温

——材料熔点（由表可得 ）

在微激光冲击强化过程中，由于激光尺度小能量低，从而发热量低，并且还有约束层的冷却等因素，可以近似的将微激光冲击过程看作一个机械积压的过程。可以忽略温度变化对仿真分析带来的影响，则在输入参数时 。

4微激光冲击强化过程的数值模拟

1）part的建立

微激光冲击强化过程中，应变产生的区域在阳光板中心为球心、半径为0.05mm的区域内。而产生的残余应力集中在半径为0.0075mm的区域内。首先建立一个二分之一圆柱的模型，然后在圆柱上截取长0.4mm、宽0.2mm，厚度为0.4mm的一部分。然后建立简化的局部模型如图3所示。

（a）二分之一圆柱模型示意图 （b）模型局部简化示意图

图 3 模型简化示意图

2）材料属性的创建与赋予、部件装配

材料属性的建立和材料属性的赋予在按照上一章节中的步鄹设置，然后需要选择JC率相关模型输入相应的材料参数和冲击强化指数，然后创建界面属性，并赋予材料属性和截面属性。在装配过程中，他需要调整模型位置以方便后期处理（将圆柱模型的轴线调整至于X轴重合，激光束中心轴线与Z轴重合）。

3）网格划分

激光光斑的直径设置为 。将圆柱模型和局部简化的模型的有效冲击区的外表面的种子密度设置为： 。圆柱模型中：区域内从外到里的中子密度设置为单向 、而圆弧上有区域向外为单项 、侧面种子密度设为 。在局部简化模型中区域内从外到里的中子密度设置为单向 。其余部分设置种子数量为1。而网格类型有效区域内为：C3D8R。其余部分为CIN3D8。（因为反射引力波的存在会对激光冲击强化结果产生很大的影响，为了消除其影响，需要建立无限远和有限元的混合模型）。在圆柱模型中：有效冲击区的网格划分技术为结构化，其它部分为扫略；在局部简化模型中全局用结构化。网格划分结果如下图所示

（a) 圆柱部件混合模型 （b）局部简化部件混合模型

图 4 网格划分结果示意图

4）定义约束和边界条件、设定载荷

在半圆柱模型中，在直径界面上设置固定约束和边界对称约束（为了保证和整个圆柱体的结果相同）；在局部简化模型中，辅助区域和有效区域的交界处设置固定约束。

载荷原则用户自定义选项，载荷是通过VDload子程序根据激光参数编写的冲击载荷（其中激光功率密度为 ，光斑直径为 ），分别对两个模型施加单次冲击。

5）分析步

微激光冲击强化过成为瞬时非线性过程，需要用到显示求解器计算结果，则需要设定分析步的类型为动态显示。根据前文提到的：设置的激光脉冲持续时间为 ，压力持续时间为 。而在后来需要一定时间的应力释放过程，将所需要总时间预定为 。一共设置五个分析步：

Step1：Initial

Step2：冲击压力上升峰值，时间为 。

Step3：冲击压力从峰值下降到0，时间为 。

Step4：应力释放第一阶段，时间 。

Step5：应力释放第二阶段，时间为 。

每个分析步中输出20 个结果。

6）作业提交

在作业模块新建job，调用VDload子程序，提交作业。计算结束后进入可视化模块查看结果。

5计算结果与结论

根
据上述仿真分析得到的结果，在柱坐标系中，提取激光冲击区域内轴向和周向上16个节点的坐标和径向位移。通过提取的数据建立冲击强化后的表面轮廓，提取15个径向节点的坐标，提取上述节点眼轴向、周向和径向的应力分量，并对应力分量作出比对和分析。上述节点选取示意图如下：

图 5 节点选择示意图

由提取的数据绘制曲线如下：

（
1）两种模型在表面的周向应力的空间分布

图 6 表面周向应力的空间分布

（2）两种模型在表面的轴向应力的空间分布

图
7 表面轴向向应力的空间分布

（3）两种模型在表面的径向应力的空间分布

图 8表面径向向向应力的空间分布

然后把两个模型的统计数据进行量化比对（包括绝对差、极差和相对偏差）。结果如下表

表 2 应力比较结果

由上面表格数据对比可得，两个模型的应力相对偏差在 以内，所以可以认为两个模型是等效的，而且局部简化模型的网格密度远高于半圆柱形模型，模拟精度更高，所以曲面的激光冲击强化可以选用局部简化模型。

6总结

本文通过一系列公式相关模型推导出了曲面激光冲击强化的计算方法和局部简化模型，对简化方法的可靠性进行了验证。得出可以使用简化模型来模拟曲面激光冲击强化的仿真过程，为后续实验的进行打下了坚实的基础。

参考文献

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