激光噴丸成形多尺度有限元模擬技術(shù)

閭家陽，王永軍，王俊彪，高國強,2，王 強

（1.西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，西安 710072；2.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，西安 710089；3.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

激光噴丸原理與彈丸噴丸類似，但物理過程有所不同。一般來說，工件受噴表面上需要涂覆一層吸能材料（如黑漆、黑色膠布），用以吸收脈沖激光的能量。吸收層材料吸收激光能量后，在數(shù)納秒的時間內(nèi)氣化為等離子體并發(fā)生爆炸。爆炸沖擊波作用于工件表面，表層的金屬材料發(fā)生塑性變形并留下殘余應(yīng)力。在激光噴丸的物理過程中沒有實體彈丸，等離子體爆炸起到了彈丸沖擊的效果。為增大沖擊壓力，通常還需要在吸收層之外施以一層透明介質(zhì)作為約束層（通常為水流）。激光噴丸的原理如圖1所示。

與彈丸噴丸相比，激光噴丸具有高度的可控性，每次沖擊的能量密度和點位坐標(biāo)可以精確確定，因此容易實現(xiàn)精確控形；通過合理設(shè)計噴丸點陣，還可以在一定程度上省去預(yù)應(yīng)力工序，節(jié)省人力物力；此外，由于點位排布更加均勻，殘余應(yīng)力場也更加均勻，如圖2所示。

有關(guān)激光噴丸殘余應(yīng)力場的有限元模擬，1998年美國Braisted 等[1]利用有限元法對圓形光斑激光噴丸殘余應(yīng)力在深度方向和表面半徑方向殘余應(yīng)力分布情況進行了分析；周建忠等[2-6]對Fabbro提出的沖擊壓力計算模型進行了改進，并在Abaqus平臺上進行了有限元模擬；2007年Wang 等[7]對有約束條件下薄板激光噴丸殘余應(yīng)力場進行了模擬，發(fā)現(xiàn)此時應(yīng)力波會在板料上下界面之間發(fā)生復(fù)雜的反射?！?br>