激光微尺度弯曲工艺数值模拟及其实验研究

论文摘要

激光弯曲成形作为一种新的无外力,无模具板材柔性成形方法,具有常规机械加工方法无法比拟的优点。尤其是激光束可以聚焦到很小的尺寸,非常适合微尺度精密加工。深入研究激光微尺度弯曲成形机理以及工艺控制策略,将对微细加工理论和实践有所贡献,因而具有重要科学意义和工程应用价值。本文围绕厚度为0.1mm及以下尺寸的微尺度弯曲件的弯曲方向控制及变形量控制这两个问题,针对微型不锈钢工件的激光弯曲过程,采用有限元仿真以及实验方法进行了研究。在对激光微尺度弯曲成形特点分析基础上,考虑了随温度变化的材料热物理性能参数（热传导率和比热）和材料的力学性能参数（热膨胀系数、屈服强度以及弹性模量等）,以及应变强化和应变速率对屈服强度的影响等本构特点,建立了激光微尺度弯曲成形热力耦合有限元模拟模型。模拟结果表明,微尺度工件仍可实现基于温度梯度机理的激光弯曲。温度梯度机理下工件厚度方向存在强烈的温度梯度,随着加热-冷却变化,该梯度导致的应力变化,使工件上表面压应力和压缩变形量均大于下表面,因此发生朝向激光束的正向弯曲变形。加热过程中温度场沿扫描路径分布不均引起扫描路径上不同位置的位移不同是造成“边缘效应”现象的根源之一。采用小功率CO2激光器、数控机械平台、专用夹具与检测装置,建立了激光微尺度弯曲成形实验装置。经大量实验,证明有限元分析结果与实验值吻合良好,同时研究表明,工件表面峰值温度在材料熔点以下时,弯曲角度随激光功率增大而增大,随扫描速度的增大而减小,当峰值温度高于材料熔点,弯曲角度随激光功率增大而减小,随扫描速度增大而增大;通过对多道次激光扫描弯曲成形进行实验研究,分析了扫描步距及工件长度对微尺度工件弯曲成形的影响,根据研究结果,提出了根据单条扫描路径获得的弯曲角度来确定单曲率圆柱面成形的扫描路径与扫描步距的工艺设计新方法。对屈曲机理的激光微尺度弯曲成形进行研究,揭示了屈曲机理的变形机制,发现由于温度梯度小,工件的初始应力易对其弯曲方向产生影响,屈曲将在存在较大压应力的表面优先发生。针对这种情况,通过一定方式给工件施加可控的预应力,并对其进行数值模拟与实验研究,详细分析了预应力对弯曲过程的影响,结果表明预约束应力可显著改变激光弯曲成形过程中的应力分布,通过控制预约束应力大小与方向可以稳定实现工件反向弯曲,也可灵活控制工件的弯曲变形量。研究了激光偏振特性在激光弯曲成形中的作用。由于激光偏振特性引起激光吸收率的变化,以及累积弯曲角度引起光斑面积的变化,实际作用于板材的激光能量是变化的,这就是造成沿同一路径多次激光扫描,每次扫描弯曲角度变化的主要原因。改变入射角度可以适应激光的偏振特性,在实验研究变入射角度下微型工件弯曲变形规律的基础上,提出了通过改变激光入射角度进行工件弯曲变形量控制的方法,并通过实验进行了验证。实现了有限元软件MARC与优化设计软件iSIGHT的有机集成,探究了激光弯曲成形工艺优化的改进方案。在理论模拟与实验分析的基础上,将优化过程中热力耦合模拟转换为温度场模拟,大幅提高了优化效率。利用改进型工艺优化策略和变入射角工件弯曲变形量控制方法,提出了预定角度弯曲成形工艺设计新路线,并通过实验进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 激光弯曲成形技术简介
• 1.1.2 激光弯曲成形机理
• 1.2 激光弯曲成形研究历史现状
• 1.2.1 激光弯曲成形实验研究
• 1.2.2 激光弯曲角度解析研究
• 1.2.3 激光弯曲过程的数值模拟
• 1.2.4 激光弯曲成形扫描策略研究
• 1.2.5 激光弯曲成形技术在微尺度领域内的研究
• 1.3 本课题研究目标与章节内容安排
• 第二章 激光微尺度正向弯曲成形数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 有限元仿真方法及激光弯曲成形有限元理论分析
• 2.2.1 有限仿元仿真软件介绍
• 2.2.2 激光弯曲成形有限元理论分析
• 2.3 激光弯曲成形有限元模型建立及关键技术处理
• 2.3.1 单元的选取
• 2.3.2 材料性能参数的选取
• 2.3.3 热传导边界与初始条件的处理
• 2.3.4 移动激光热源的处理
• 2.3.5 有限元网格划分与时间步长的确定
• 2.4 有限元模型的建立与仿真结果讨论
• 2.4.1 有限元模型
• 2.4.2 有限元结果及分析
• 2.5 影响激光微尺度弯曲成形精度原因分析
• 2.5.1 “边界效应”现象
• 2.5.2 扫描速度对“边界效应”现象的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 激光微尺度正向弯曲成形实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 激光微尺度弯曲成形实验装置
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 实验材料及表面预处理
• 3.2.3 工件夹持方式
• 3.2.4 激光弯曲成形过程监控及弯曲角度测量方式
• 3.3 激光微尺度弯曲实验结果与讨论
• 3.3.1 有限元仿真结果实验验证
• 3.3.2 工艺参数对激光弯曲成形结果影响研究
• 3.3.3 几何因素对弯曲角度的影响
• 3.3.4 激光加热区域增厚效应分析
• 3.4 单曲率圆柱面成形实验
• 3.4.1 扫描步距对弯曲角度的影响
• 3.4.2 单曲率圆柱面成形扫描路径规划
• 3.4.3 单曲率圆柱面成形实验
• 3.4.4 扫描策略对弯曲件成形质量的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光微尺度反向弯曲成形研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于屈曲机理的激光微尺度弯曲成形研究
• 4.2.1 基于屈曲机理的激光微尺度弯曲成形数值模拟
• 4.2.2 数值模拟结果分析
• 4.2.3 基于屈曲机理的激光弯曲成形实验研究
• 4.3 预约束应力作用下激光微尺度弯曲成形数值模拟
• 4.3.1 预约束应力作用下激光弯曲成形有限元模型建立
• 4.3.2 数值模拟结果分析
• 4.3.3 预约束应力对变形的影响
• 4.4 预约束应力作用下激光弯曲成形实验研究
• 4.4.1 预约束应力对激光弯曲成形影响实验研究
• 4.4.2 预约束应力作用下激光工艺参数分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 激光偏振特性在变入射角激光弯曲成形中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 激光的偏振特性及其在激光加工中的应用
• 5.3 激光偏振特性实验研究
• 5.3.1 激光偏振特性实验验证
• 5.3.2 不同入射角下无吸收涂层钢箔激光弯曲实验
• 5.3.3 经黑化处理的工件多次激光扫描弯曲成形实验研究
• 5.3.4 恒定激光吸收系数时多次扫描激光弯曲成形
• 5.3.5 线偏振激光多次扫描弯曲成形数值模拟技术处理
• 5.4 激光弯曲成形弯曲角度控制技术探究
• 5.4.1 半光斑扫描数值模拟
• 5.4.2 预定角度激光弯曲成形实验与精度控制策略
• 5.5 本章小结
• 第六章 激光微尺度弯曲成形工艺优化
• 6.1 引言
• 6.2 优化模型描述
• 6.2.1 激光弯曲工艺优化问题描述
• 6.3 优化算法简介
• 6.3.1 遗传算法
• 6.3.2 序列二次规划法
• 6.4 优化模型的建立
• 6.4.1 有限元模型的建立
• 6.4.2 优化设计软件平台与有限元软件集成优化过程
• 6.5 微尺度激光弯曲成形工艺参数优化实例及结果讨论
• 6.5.1 优化实例
• 6.5.2 优化结果讨论
• 6.6 微尺度激光弯曲成形工艺优化改进策略
• 6.6.1 优化模型改进策略
• 6.6.2 改进的优化实例计算
• 6.6.3 改进的优化实例计算结果
• 6.6.4 激光微尺度弯曲成形光斑尺寸确定
• 6.7 预定角度激光微尺度弯曲成形工艺设计及实验验证
• 6.7.1 工艺技术路线
• 6.7.2 实验验证
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表