激光喷丸强化效果的统计优化研究

论文摘要

激光喷丸强化技术是利用高功率短脉冲的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的新技术,是传统机械喷丸工艺和现代激光加工技术的结合。本课题针对激光喷丸强化技术应用中工艺控制的关键问题—激光工艺参数的合理优化进行研究,以主动实现对激光喷丸强化效果的优化控制。本文从以下几个方面进行了研究和探讨,主要内容如下:从激光与材料相互作用的过程出发分析了激光喷丸诱导冲击波的基本过程,探讨了激光喷丸强化的基本原理,并确定了激光喷丸强化效果的表征参数与统计优化方法,分析了影响激光喷丸强化效果的一些主要因素。将Taguchi理论运用到激光喷丸参数的优化之中,按照正交实验安排,进行各种参数同时变化下典型航空金属材料的激光喷丸强化实验。对激光喷丸强化的表面残余应力大小,表面硬度及表面的粗糙度进行测量,同时对喷丸后的微观组织进行分析。利用统计分析软件MINITAB对激光喷丸强化后效果的表征值(表面残余压应力、表面硬度、表面粗糙度)进行统计分析,建立激光喷丸参数的主次影响顺序,并且优化出激光喷丸强化的最优参数的组合。以激光喷丸强化过程的弹塑性力学理论和冲击波加载模型为基础,运用ABAQUS有限元软件,对各种激光工艺参数组合下的激光喷丸强化过程中的残余应力进行数值模拟。运用MSC.Fatigue疲劳分析软件对激光喷丸强化后的试件进行疲劳模拟分析,对试件的疲劳寿命进行了预测。结果表明:激光喷丸强化残余应力和疲劳预测寿命与实验结果有着较好的一致性。研究所取得的成果为激光喷丸强化工艺参数的合理优化和抗疲劳制造的控制提供了积极的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 传统喷丸强化工艺的发展概况
• 1.1.1 机械喷丸强化的原理与应用
• 1.1.2 超声喷丸技术
• 1.1.3 高压水喷丸技术
• 1.2 激光喷丸强化技术
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 激光喷丸强化的特点及应用
• 1.3 本课题的提出和研究的意义
• 第二章 激光喷丸强化的工艺参数及优化方法
• 2.1 激光喷丸强化机理
• 2.1.1 激光冲击波技术
• 2.1.2 激光喷丸强化效应机理
• 2.2 喷丸强化效果影响因素分析
• 2.2.1 激光参数的影响
• 2.2.2 约束层的影响
• 2.2.3 涂层的影响
• 2.3 强化效果的表征和优化方法
• 2.3.1 激光喷丸强化效果的表征参数
• 2.3.2 激光喷丸强化效果的优化方法
• 2.4 TAGUCHI统计优化理论
• 2.4.1 正交表
• 2.4.2 信噪比
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于TAGUCHI方法的激光喷丸强化实验
• 3.1 激光喷丸强化实验优化设计
• 3.1.1 品质特性的选择
• 3.1.2 确定可控因素和噪声因素
• 3.1.3 选择正交表和实验安排
• 3.2 实验装置及试样制备
• 3.2.1 实验装置和仪器
• 3.2.2 试样制备和定位
• 3.3 激光喷丸强化试验数据采集
• 3.3.1 残余压应力
• 3.3.2 表面硬度
• 3.3.3 表面粗糙度
• 3.3.4 显微组织变化
• 3.4 激光喷丸强化效果指标值的统计优化
• 3.4.1 MINITAB软件的介绍
• 3.4.2 数据统计优化分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光喷丸强化的数值模拟与疲劳寿命预测
• 4.1 激光喷丸强化的有限元模拟法则
• 4.2 ABAQUS软件介绍
• 4.3 激光喷丸强化诱导的残余应力场的有限元模拟
• 4.3.1 模拟中的关键问题
• 4.3.2 不同工艺参数组合下表面残余压应力的模拟
• 4.3.3 工艺参数对残余应力峰值的影响
• 4.4 疲劳寿命分析的有限元理论
• 4.5 MSC.FATIGUE软件介绍
• 4.6 基于MSC.FATIGUE的激光喷丸强化的疲劳寿命预测
• 4.6.1 有限元法疲劳分析的基本思路
• 4.6.2 全寿命/应力寿命预测
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文