本文關鍵詞：激光沖擊能量對鋁合金小孔件應力分布及疲勞壽命影響的研究

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【摘要】：孔結構是飛機機身上數(shù)量眾多但卻極易產(chǎn)生疲勞破壞的結構之一,激光沖擊強化在一定程度上能有效提高孔結構零部件的疲勞壽命。傳統(tǒng)觀點往往認為小孔件的疲勞壽命與單位面積上的激光沖擊能量呈正比,因而對小孔件疲勞壽命與激光沖擊能量間的對應關系展開研究,從而提高小孔構件的抗疲勞性能,并為工程實踐奠定基礎,具有重要的理論意義和工程價值。本文通過理論分析、仿真模擬及試驗的方法,研究了激光沖擊能量對鋁合金小孔件應力分布及疲勞壽命的影響。本文的主要研究工作及成果如下:(1)從理論上論述了激光沖擊作用下殘余壓應力產(chǎn)生的機理及殘余壓應力對裂紋擴展的抑制作用。分析了小孔件在沖擊能量下表層及孔壁內(nèi)部的殘余應力分布特點,并根據(jù)應力分布特點推斷了隨著單位面積上沖擊能量的增大,小孔件的疲勞壽命有先增大后減小過程。(2)利用ABAQUS有限元分析軟件模擬了激光沖擊能量對小孔件應力分布的影響。結果顯示,從小孔件表面應力分布看,隨著單位面積上沖擊能量的增大,材料表面殘余壓應力逐漸增大并達到飽和;從孔壁應力分布看,隨著單位面積上沖擊能量的增大,殘余壓應力的深度有所增加,但這一過程中孔壁中心處的殘余拉應力卻急劇增大。(3)對經(jīng)功率密度為2.8GW/cm2、5.7GW/cm2及8.5GW/cm2強化后的鋁合金小孔件進行高頻疲勞拉伸試驗,結果顯示,試樣的平均疲勞壽命分別可提高62.1%、168.3%及47.3%。即隨著功率密度的增大,試樣的疲勞壽命先增大后減小,這與不同沖擊能量下孔壁的殘余應力分布規(guī)律一致。(4)從宏觀形貌圖中可以看出,經(jīng)激光沖擊強化后,斷口上疲勞裂紋源由孔角轉(zhuǎn)移至內(nèi)部孔壁,且隨著單位面積上激光沖擊能量的增大,孔壁上的疲勞裂紋源由帶狀分布逐漸壓縮至試樣厚度的中點,且從仿真中可以得出,該點處的殘余拉應力最大。(5)從微觀形貌圖中可以看出,經(jīng)激光沖擊強化后,斷口上疲勞條帶間距較未強化時均有所減少,且隨著單位面積上激光沖擊能量的增大,相應斷口上疲勞條帶間距變化呈先減小后增大趨勢。即當激光功率密度為5.7GW/cm2時,斷口上疲勞條帶間距變化最小,裂紋擴展的速率最低,故試樣的疲勞壽命較高。從激光沖擊能量對小孔件應力分布及疲勞壽命的研究中可以得出,合適的激光沖擊能量能在材料內(nèi)部誘導最佳狀態(tài)的殘余應力場分布,且在這種應力狀態(tài)下材料的疲勞壽命較大。因此,在工程實踐中選擇合適的沖擊能量至關重要。
【關鍵詞】：激光沖擊 小孔構件 沖擊能量 殘余應力場 疲勞壽命
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V261.8;V215.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 激光沖擊強化原理及特點11-12
• 1.3 激光沖擊強化研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 小孔件激光沖擊強化研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3.2 激光沖擊能量對應力分布及疲勞壽命影響的現(xiàn)狀分析15-16
• 1.4 本文選題意義及主要研究內(nèi)容16-18
• 1.4.1 選題意義16-17
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容17-18
• 第二章 激光沖擊對材料應力分布與抗疲勞的理論分析18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 激光誘導等離子沖擊波的形成18-20
• 2.2.1 激光與材料相互作用18-19
• 2.2.2 材料表面等離子沖擊波的產(chǎn)生19-20
• 2.3 沖擊波作用下材料殘余應力場的產(chǎn)生20-23
• 2.3.1 沖擊波作用下材料的塑性變形20-21
• 2.3.2 沖擊波作用下材料殘余應力場的形成21-22
• 2.3.3 材料表面與深度方向殘余應力大小分析22-23
• 2.4 殘余應力場抑制裂紋擴展特性研究23-27
• 2.4.1 材料的應力強度因子及疲勞裂紋擴展規(guī)律23-25
• 2.4.2 殘余應力場對應力強度因子的影響25-26
• 2.4.3 殘余應力場對疲勞裂紋的抑制作用分析26-27
• 2.5 沖擊能量對小孔件殘余應力分布及疲勞壽命的影響27-29
• 2.5.1 沖擊能量下小孔件殘余應力場的分布特點27-28
• 2.5.2 沖擊能量對小孔件疲勞壽命影響的分析28-29
• 2.6 本章小結29-31
• 第三章 沖擊能量對鋁合金小孔件應力分布影響的數(shù)值模擬31-48
• 3.1 引言31
• 3.2 有限元模型的建立及仿真條件的設置31-36
• 3.2.1 模型尺寸及邊界條件的確定32-33
• 3.2.2 激光沖擊強化本構模型的選擇33-34
• 3.2.3 網(wǎng)格劃分與開孔方式34-35
• 3.2.4 激光誘導壓力波的加載35-36
• 3.2.5 求解時間的設定36
• 3.3 不同激光沖擊能量對小孔件殘余應力分布的影響36-47
• 3.3.1 單雙面強化對殘余應力的影響37-38
• 3.3.2 強化范圍對殘余應力的影響38-40
• 3.3.3 沖擊層數(shù)對殘余應力的影響40-42
• 3.3.4 峰值壓力對殘余應力的影響42-45
• 3.3.5 脈沖寬度對殘余應力的影響45-47
• 3.4 本章小結47-48
• 第四章 鋁合金小孔件激光沖擊強化驗證試驗48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 試驗設備及過程簡介48-51
• 4.2.1 激光沖擊強化設備48-49
• 4.2.2 試樣的制備49
• 4.2.3 激光沖擊強化試驗49-50
• 4.2.4 開孔設備及工藝50
• 4.2.5 疲勞拉伸試驗50-51
• 4.3 試驗結果與分析51-58
• 4.3.1 疲勞拉伸結果與數(shù)據(jù)分析51-53
• 4.3.2 試樣斷口宏觀形貌分析53-54
• 4.3.3 試樣斷口微觀形貌分析54-58
• 4.4 激光沖擊能量對鋁合金小孔件疲勞壽命影響原理分析58-59
• 4.5 本章小結59-61
• 第五章 總結與展望61-64
• 5.1 全文總結61-62
• 5.2 展望62-64
• 參考文獻64-69
• 致謝69-70
• 攻讀碩士學位期間承擔科研情況及主要成果70

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