1、分类号密级UDC编号硕士学位论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFFATIGUELIFEOF7050ALUMINUMALLOYPROCESSEDBYLSP指导教师作者姓名申请学位级别硕士专业名称机械制造及其自动化论文提交日期2011年5月论文答辩日期2011年月学位授予单位和日期大学年月答辩委员会主席_评阅人_2011年5月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据
2、库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存和汇编本学位论文。保密，本学位论文属于在年解密后适用本授权书。不保密。学位论文作者签名指导教师签名2011年月日2011年月日独创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期2011年月日1激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFFATIGUELIFEO
3、F7050ALUMINUMALLOYPROCESSEDBYLSP专业名称机械制造及其自动化指导教师作者姓名大学2011年5月大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟I摘要本文利用有限元软件ABAQUS和MSCFATIGUE对7050T7451铝合金预置小孔试件的疲劳寿命进行了数值模拟，重点解决了激光冲击强化后试件的疲劳仿真，进一步深入研究了激光冲击强化对疲劳寿命的影响。对两组7050T7451铝合金预置小孔试件进行了拉拉疲劳试验。一组为未强化试件，另一组为激光冲击强化试件。试验结果表明，在1013MPA的加载应力水平下，两组平均疲劳寿命分别为26024和108336周次，疲劳寿命
4、提高了4163。研究表明，激光冲击产生的高幅冲击波，使材料发生弹性塑性变形，并在金属表层形成密集的位错、空位及空位团。这些效应能改变激光冲击金属的显微结构和力学性能，增加试件的表面硬度。激光冲击强化可以使材料获得较高的表面残余压应力和较深的影响层深度。材料疲劳破坏主要是由于拉应力的存在,经激光冲击处理后,在材料表面存在的残余压应力可以平衡材料在使用过程中的拉应力,从而延缓疲劳裂纹的产生及扩展速度。为了能够模拟激光冲击后试件的疲劳寿命，需要在MSCFATIGUE中导入试件的最大载荷线性应力图和激光冲击产生的残余应力场。本文激光冲击数值模拟的目的就是为了获得残余应力场。利用有限元方法进行疲劳寿命计
5、算，需要知道载荷的变化历程、结构几何参数以及有关的材料性能参数或曲线。用有限元计算疲劳通常分为两步第一步是根据载荷和几何机构计算动态应力/变化响应，第二步是一旦获得应力应变响应，结合材料性能参数，就可以应用不大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟II同的疲劳损伤模型进行疲劳寿命计算。疲劳寿命的理论预测精度依赖于应力应变响应的正确模拟，也依赖于损伤模型的合理利用。利用有限元软件MSCFATIGUE对两组试件分别进行疲劳数值模拟。模拟结果显示，两种疲劳寿命分别为25400和102870周次，疲劳寿命提高了405。实验结果和模拟结果符合的很好。关键词激光冲击强化，7050T7451铝
6、合金，残余应力场，有限元模拟，疲劳寿命，拉拉试验大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟IIIABSTRACTINTHISPAPER，FATIGUELIFEOFTHE7050T7451ALUMINUMALLOYPREHOLESPECIMENISNUMERICALSIMULATEDONFINITEELEMENTSOFTWAREABAQUSANDMSCFATIGUEITFOCUSESONSIMULATINGTHEFATIGUELIFEOFTHESPECIMENPROCESSEDBYLASERSHOCKPROCESSINGLSP,ANDFURTHERSTUDYTHEEFFECTSOFT
7、HELASERSHOCKPROCESSINGLSPONTHEFATIGUELIFETWOGROUPSOF70507451ALUMINUMALLOYPREHOLESPECIMENSAREPERFORMEDTHEPULLPULLEXPERIMENTAGROUPOFSPECIMENSAREPROCESSEDBYLASERSHOCKPROCESSING,WHILETHEOTHERAREUNPROCESSEDTHERESULTSOFEXPERIMENTINDICATETHATONTHELOADINGOF1013MPASTRESS,TWOGROUPSOFAVERAGEFATIGUELIFEARE26024
8、AND108336CYCLESRESPECTIVELY,RAISEDBY4163STUDIESSHOWTHATTHESHOCKWAVEWHICHISGENERATEDBYLASERSHOCKPROCESSINGCANGENERATETHEELASTICPLASTICDEFORMATIONOFTHEMATERIAL,ANDFORMADENSEDISLOCATION,VACANCIESANDVACANCYCLUSTERSINTHEMETALSURFACETHESEEFFECTSCANCHANGETHEMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFMETALSPROC
9、ESSEDBYLASERSHOCKPROCESSING,INCREASETHESURFACEHARDNESSOFTHESPECIMENLASERSHOCKPROCESSINGCANMAKETHESURFACEMATERIALTOOBTAINHIGHCOMPRESSIVERESIDUALSTRESSANDTHEIMPACTOFDEEPERDEPTHMATERIALFATIGUEFAILUREISMAINLYDUETOTHEPRESENCEOFTENSILESTRESS,AFTERTHELASERSHOCKPROCESSING,THERESIDUALCOMPRESSIVESTRESSINTHESU
10、RFACEOFMATERIALCANBALANCETHETENSILESTRESSINTHEPROCESSOFUSINGMATERIAL,THUSDELAYINGTHEFATIGUECRACKINITIATION大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟IVANDPROPAGATIONVELOCITYINORDERTONUMERICALSIMULATETHEFATIGUELIFEOFTHESPECIMENPROCESSEDBYLASERSHOCKPROCESSING,ITISNEEDTOIMPORTTHEMAXIMUMLOADLINEARSTRESSDIAGRAMOFTHESPEC
11、IMENANDTHERESIDUALSTRESSFIELDPRODUCEDBYLSPTOTHEMSCFATIGUETHEPURPOSEOFNUMERICALSIMULATIONOFLASERSHOCKPROCESSINGISJUSTTOOBTAINTHERESIDUALSTRESSFIELDINORDERTOCALCULATEFATIGUELIFEBYFINITEELEMENTMETHOD,ITISNEEDTOKNOWTHEHISTORYOFLOADCHANGES,GEOMETRICALPARAMETERSANDMATERIALPROPERTIESRELATEDPARAMETERSORCURV
12、ETHEFINITEELEMENTMETHODISUSUALLYDIVIDEDINTOTWOSTEPSTHEFIRST,BASEDONTHECALCULATIONOFLOADANDGEOMETRICORGANIZATIONOFSTRESS/CHANGEOFCOURSE,THESECONDSTEP,ASSOONASTOOBTAINSTRESSSTRAINRESPONSECOMBINEDWITHMATERIAL,ITCANBEAPPLIEDTOTHECALCULATEFATIGUELIFEWITHDIFFERENTFATIGUEDAMAGEMODELSPREDICTIONACCURACYOFFAT
13、IGUELIFETHEORYDEPENDSONTHECORRECTSIMULATIONOFSTRESSSTRAINRESPONSE,ANDALSODEPENDSONTHERATIONALUSEOFDAMAGEMODELTHEFATIGUELIFEOFTWOGROUPSSPECIMENSARESIMULATEDONFINITEELEMENTSOFTWAREMSCFATIGUESEPARATELYTHERESULTSOFNUMERICALSIMULATIONINDICATETHATTWOGROUPSOFAVERAGEFATIGUELIFEARE25400AND102870CYCLESRESPECT
14、IVELY,COMPAREDWITHTHEFATIGUELIFEOFNORMALSPECIMEN,THEFATIGUELIFEOFSPECIMENPROCESSEDBYLSPISROSEBY大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟V405THERESULTOFEXPERIMENTAGREEWITHTHERESULTOFNUMERICALSIMULATIONQUITWELLKEYWORDLASERSHOCKPROCESSING,7050T7451ALUMINUMALLOY,RESIDUALSTRESSFIELD,FINITEELEMENTSIMULATION,FATIGUELIFE
15、,PULLPULLEXPERIMENT大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟VI目录摘要IABSTRACTIII目录VI第一章绪论111引言112疲劳寿命的数值模拟的概况和意义113疲劳强度的基本理论1131疲劳强度的基本概念1132疲劳研究的历史概况1133疲劳寿命的计算方法214数值模拟技术6141ABAQUS的介绍7142MSCFATIGUE的介绍7143激光强化后疲劳寿命数值模拟流程815课题的研究内容8151背景8152内容9153意义10第二章激光冲击试验及理论分析1121激光冲击试验及检测11211试验装置11212试样制备13213试验方法1522激光冲击过程理
16、论分析16221激光冲击机理16222激光冲击的两种模型17223激光冲击波的形成机理18224约束模型下冲击波的压力估算19大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟VII23疲劳试验22231疲劳试验装置22232疲劳试验数据2324残余应力场的形成及其影响因素27241残余应力场的形成机理27242残余应力场的影响因素28243残余应力对疲劳寿命的影响3025本章小结31第三章激光冲击以及疲劳寿命的数值模拟3231激光冲击数值模拟33311激光冲击数值模拟综述33312激光冲击数值模拟的过程描述34313建模和网格划分34314施加冲击波压力载荷和边界条件36315设置分析步
17、及计算结果3732疲劳寿命的数值模拟39321疲劳寿命数值模拟概述39322MSCFATIGUE疲劳分析所需的信息和数据40323材料各参数的求解43324MSCFATIGUE疲劳分析过程4933本章小结53第四章总结与展望5541总结5542展望57本文研究的创新点59参考文献60在学位期间发表的论文64大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟1第一章绪论11引言激光冲击处理（LASERSHOCKPROCESSING）是本世纪70年代后期发展起来的一项新兴的表面加工技术。对强化处理小孔、焊缝、凹槽等局部应力集中部位具有冷挤压、喷完所不能相比的优势，在航空航天等领域具有广泛的工程
18、应用前景，受到国内外的高度重视1。经过激光冲击处理的材料，可以显著提高其硬度、耐腐蚀性能和疲劳寿命等机械性能。激光冲击处理对材料的疲劳寿命的影响得到了越来越深入的研究。研究的内容主要集中在激光冲击处理的基本原理的研究，以及利用疲劳试验来研究激光冲击对于疲劳寿命的影响。但是疲劳试验存在着试验周期长、成本高等缺点，同时由于试件条件的不一样，导致了试验结果的重复性和一致性较差。12疲劳寿命的数值模拟的概况和意义随着有限元软件的不断发展，功能的不断增加，精度的不断提高。可以利用有限元软件进行疲劳计算，计算结果能够满足一定的要求。利用有限元软件来进行疲劳寿命的数值模拟23虽然取得了一定的成果，但是还未成
19、熟。特别是激光冲击强化后试件的疲劳数值模拟还需要进一步的研究。疲劳寿命的数值模拟不但可以节约试验以及研究成本，还可以进一步深入研究激光冲击对疲劳寿命的影响。13疲劳强度的基本理论131疲劳强度的基本概念载荷值随时间作周期性或非周期性变化的载荷成为交变载荷，大多数承载的机构都在这种交变载荷作用下工作。由于载荷的变化，使试件或构件的材料产生随时间变化的交变应力与交变应变。经足够的应力或应变循环作用后，损伤累计可使试件或构件材料产生裂纹，并使裂纹扩展，直至小片脱落或断裂的过程称为疲劳破坏。构件因发生疲劳破损而使其丧失正常的工作性能的现象称为疲劳失效。试件抵抗疲劳失效的能力称为疲劳强度；构件抵抗疲劳失
20、效的能力成为结构疲劳强度4。132疲劳研究的历史概况金属疲劳的最初研究是一位德国矿山工程师WAALBERT在1829年左右完成大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟2的，他用铁制的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以验证其可靠性。自从上个世纪60年代，德国工程师WOHLER为了解决火车断轴问题，在严格控制载荷的条件下测定出第一条SN曲线以来，对于金属材料和机、构件的疲劳行为的研究已有100多年的历史5。疲劳问题的早期研究主要集中于疲劳时效的宏观规律方面。本世纪50年代以后，各类电子显微镜及其他先进测试仪器的出现并得到广泛应用，大大促进了疲劳微观机理的研究。微观机理只能解释宏观现
21、象以及规律并指导其变革方向，而宏观规律是指导生产实践的依据。为了克服或防止疲劳失效，我们寻求的客观规律简言之即在各种服役条件下载荷于寿命的关系。获取这种关系的传统做法是通过大量严格控制的实验，取得足够的数据，以确立一定载荷条件下的疲劳寿命或一定寿命要求下的载荷条件。然而疲劳试验的严格要求，费时费力，而且数据离散型大，要求得疲劳数据的概率分布，例如PSN曲线，则需要更大量的疲劳试验数据。至于全尺寸部件在变幅载荷下的疲劳试验，因其周期之长，耗费之巨，只有极重要的情况下才不惜成本的少量进行。因此，多年来许多研究者致力于疲劳宏观理论的研究，建立各种公式以计算各种服役条件下的疲劳寿命，其中参数有的从简化
22、疲劳试验求得，有的利用静载下的性能数据，以避免疲劳试验。其中著名的如早期的BASQUIN方程、GOODMANGERBER方程，近期的COFFINMANSON公式，PARIS公式等得到科技界的公认并加以运用，取得了一定的效果。但是这些公式都有一定的使用范围，准确性也有一定的限度。然而为了节省财力、人力、物力这个研究方向是正确的，有重要的价值和意义。133疲劳寿命的计算方法随着疲劳理论的发展，计算疲劳寿命的方法变多而且得到了不断的完善。然而疲劳问题相当的复杂，每个方法都有其一定的适用范围。下面简单介绍疲劳计算的几种方法。1、全寿命方法名义应力法（SN）是形成的抗疲劳设计方法，它以材料或零件的SN曲
23、线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳累计损伤理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命6。此方法广泛应用于外加应力名义上造材料的弹性范围内，而且材料的失效循环次数很高。从这一点看，名义应力大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟3法最适用于高周疲劳区。低周疲劳区存在塑性应变部分，所以名义应力法的效果不好。在低周疲劳区必须使用基于应变法。SN方法主要的思路从试样中测出材料的SN曲线；考虑试件和零件的区别，修正SN曲线。考虑试验加载和实际加载的区别，利用雨流技术对应力信号进行循环周计数，集合MINER等损伤累计法计算疲劳寿命7。SN曲线关系式一般可以采用回归曲
24、线办法得到，工程中常用的有指数型的经验关系式，如设AFNCS。其中C和A为待定常数，若对上式两边取对数则有LGLGLGFNCAS。如果以LGFN为横坐标，以LGS为纵坐标，则上式可表示成为一条直线即在双对数坐标中，由实验所得的数据按线性回归的方法课的出疲劳极限的经验公式4。2、局部应力应变法局部应力应变疲劳寿命估算方法自60年代提出以来曾受到过广泛的重视和发展。许多研究人员对改进和发展该方法作了大量的工作并积累了丰富的数据与经验。但近几年来局部应力应变法似乎已走完了它的路。一些研究人员认为,局部应力应变法既不能用于预测裂纹扩展寿命,也不能用于预测高周疲劳裂纹形成寿命,仅仅适用于预测中低周疲劳裂
25、纹形成寿命。正因为如此,国内外一些研究人员称局部应力应变法为应变疲劳寿命估算方法当然也不排除这样的原因局部应力应变法一开始确实是为了解决局部塑性较大的中低周疲劳问题而提出的8。局部应变法是根据等应变等损伤的原则，利用直接试验法或间接（有限元法、NEUBER法及修正NEUBER法）获得构件的薄弱部位或应力集中部位的应变时间历程，通过雨流计数法等得到一系列等应变幅的循环数，结合材料的PN曲线，利用MINER线性累积准则计算给定置信度和可靠度下的疲劳寿命。局部应变法以其理论比较合理、直接来源于试验的数据比较准确而受到重视。而且基于应变的疲劳寿命方法可用于高、低周疲劳构件，并都能取得比较好的效果9。它
26、的思路是,零构件的疲劳破坏,都是从应变集中部位的最大应变处起始,并且在裂纹萌生以前都要产生一定的塑性变形,局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件。因此,决定零构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。只要最大局部应力应变相同,疲劳寿命就相同。因而有应力集中零构件的疲劳寿命,可以使用局部应力应变相同的光滑试样的应变寿命曲线进行计算,也可大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟4使用局部应力应变相同的光滑试样进行疲劳试验来模拟11。NEUBER法的依据是NEUBER定则2TKKK11式11的数学意义是，理论应力集中系数是应力集中系数和应变集中系数K的几何平均值。在弹性
27、范围内TKKK；当切口根部发生塑性变形，应变集中系数增长较快，而应力集中系数因塑性变形而下降。在绝大数情况下，构件所受的名义应力低于材料的屈服强度，构件在整体上式弹性的，但是由于应力集中，切口根部材料发生塑性变形，形成一小塑性区，根据应力集中系数和应变集中系数的定义/KS，/TKE，以及式41，于是有22/TTKSEKSE12式中、分别为切口根部的局部应力和局部应变。S、E分别为名义应力和名义应变，/ESE。MORROW等认为，在循环加载条件下切口根部的局部应力范围和局部应变范围，也可以用式42计算，只须在应力和应变之前加一“”以表示“范围”，以FK取代TK即可。于是有2FKSE13A在弹性范
28、围内，/ESE，代入式13A，得2/FKSE13B式中FK为疲劳强度缩减因子，又称疲劳缺口系数或有效应力集中系数。对于给定的构件和材料，FK被认为是常数，尽管它是疲劳寿命的函数。故当S之值一定是，式13的右端为常数，在坐标平面上为一双曲线。材料的循环应力应变曲线，可用下式表示1222NPEEK14A或1/2/2NEK14B大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟5式中K和N分别为循环强度系数和循环应变硬化指数。对于给定的材料K和N可以由实验确定。将式13和14联立求解，即可得到局部应力和应变之值。这是目前求解局部应力和应变的基本方法。3、裂纹扩展寿命方法对疲劳裂纹扩展的研究，主要
29、是考擦在循环载荷作用下，金属中的裂纹如何扩展。研究的主要内容有，疲劳裂纹的一般规律、微观机制、力学模型，以及各种因素对疲劳裂纹扩展的影响。完善的疲劳裂纹扩展公式，应能定量地表明疲劳裂纹扩展速率与各主要参数之间的关系，侏儒应力强度因子范围K，应力比R，金属的力学性能以及环境效应等，并且能很好地说明根据大量的实验结果总结出来的裂纹扩展的一般规律。从应用的角度考虑，疲劳裂纹扩展公式应能用于精确地估算构件的疲劳裂纹扩展寿命。PARIS公式可用于含裂纹构件的剩余寿命的估算。图11完整的疲劳裂纹扩展速率曲线。据此，可将疲劳裂纹扩展定性地分为三个区，即A区、B区和C区。图11疲劳裂纹扩展曲线FIG11THE
30、CURVEOFFATIGUECRACKGROWTH在A区，即近门槛区，裂纹扩展速率随着应力强度因子范围K的降低而迅速地下降，直至/0DAAN，于此相对应的K值，称为疲劳裂纹扩展门槛值，记为THK。大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟6在B区，即中部区，通常相对应于DA/DN105103MM/CYCLE的范围；当试件的韧带尺寸足够大，中部区的上限可上升到102MM/CYCLE的量级。在中部区，裂纹扩展速率可用PARIS公式表示MDACKDN15式中C、M为实验确定的常数。在C区，即裂纹快速扩展区DA/DN103MM/CYCLE,且随K的升高，裂纹扩展速率升高。当MAXCKK或1
31、CKKR时，试件断裂。裂纹扩展速率表达式使用的有以下四类1PARIS公式，即15,它只适用于中部区。因此，含裂纹构件承受高的K值，且寿命较短的情况下，用PARIS公式估算寿命，可获得较精确的结果，而长寿区则估算结果相当保守。2FORMAN公式，其一般形式如下1MCDACKDNRKK16改公式的优点是，表明了应力比的影响，试件或构件疲劳断裂的条件，即当1CKRK时，/DADN；再则，它使用于裂纹扩展的中部区和快速扩展区。式16中的常数C、M和CK，是根据裂纹扩展速率实验拟合得出的常数。3表明裂纹扩展门槛值存在的裂纹扩展速率表达式MTHDABKKDN17式中B、M也是根据实验结果拟合的常数，没有实
32、际意义。式17的优点是，它适用于裂纹扩展的进门槛区和中部区，在估算低K的喊裂纹构件的寿命时，可得到精确的结果。4描述整个裂纹扩展速率曲线，包括A、B和C三个区的表达式1MTHCBKKDADNRKK（18）14数值模拟技术大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟7141ABAQUS的介绍ABAQUS是美国ABAQUS公司（原名HKS公司）的产品。它是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究。由于ABAQUS强大的分析能力和模拟复杂系统
33、的可靠性，它在各国工业和研究中得到广泛的应用，在大量高科技产品开发中发挥着巨大的作用。ABAQUS使用十分简便，可以很容易的为复杂问题建立模型。例如，对于多部件问题，可以首先为每个部件定义材料参数，划分网格，然后将它们组装成整个模型。对于大多数模型（包括高度非线性模型），用户仅需要提供结构的几何形状、材料特性、边界条件和载荷工况等工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，并在分析过程中不断地调整这些参数值，确保获得精确的解答，用户几乎不必定义任何参数就能控制问题的数值求解过程。ABAQUS具有十分丰富的单元库，可以模拟任意几何形状，其丰富的材料库模型可以模拟大多
34、数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混泥土、可压缩弹性泡沫以及地质材料（例如土壤、岩石）等。作为一种通用的模拟工具，ABAQUS不仅能解决机构分析（应力/位移）问题，而其能够分析热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热/点耦合分析）、声学、土壤力学和压电分析等广泛的领域中的问题1214。142MSCFATIGUE的介绍MSCFATIGUE是一个通用性强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工具，可灵活地用来预测各种复杂零件和机构的疲劳寿命。它可以在产品的设计初级阶段提供疲劳分析工具，从而优化产品的寿命。MSCFATIGUE支持多种软件作为其分析的前后处理软件工具，例如MSC
35、PATRAN、ABAQUS、ANSYS等MSCFATIGUE允许设计者在产品的早期设计阶段进行疲劳计算。MSCFATIGUE还可以帮助用户快速而准确地预测产品在任何与实践相关和频率相关的载荷工况作用下的疲劳寿命，并优化产品的重量和形状。MSCFATIGUE的主要特点总结如下使用方便的用户图形界面；可进行人机大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟8对话操作，或用高效的批处理背景操作方式执行程序；在线帮助和资料查询，有丰富的材料数据库（约200种材料），带有图形显示、输入和编辑以及检索功能；能创造、处理和现实载荷数据库；与NSOFT软件兼容，支持多种计算机平台；材料的表面加工和表面
36、修正；同时计算多达20组的不同材料特性和表面处理；多轴载荷鉴别及显示工具；雨流循环计数；考虑统计置信度；能输出临界位置的应力应变谱；支持大多数知名有限元分析软件包；支持常用的壳及实体单元；含有“软件应变计”工具，可方便地用来比较“计算的”和“实测的”应变谱。MSCFATIGUE作为专业耐久性疲劳寿命分析软件系统，可用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩张分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析、多轴疲劳分析、电焊疲劳分析、虚拟应变片测量及数据采集等各种分析，同时该软件还拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载荷和时间历程库等，能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果。它
37、具有以下特性全寿命分析，初始裂纹分析，裂纹扩展分析，基于频域或时域的振动疲劳分析，电焊和焊缝的疲劳分析，旋转件疲劳分析，虚拟应变片测量和应变花分析，多轴数尺裂纹和安全因子分析。此外，MSCFATIGUE包含多种疲劳分析实用功能6。143激光强化后疲劳寿命数值模拟流程整个数值模拟的流程大体如下1、ABAQUS前处理建模、网格划分、材料参数设置、加载载荷和边界条件、设置分析类型、求解。2、MSCFATIGUE后处理导入ABAQUS结果文件、总体设置、设置求解参数、设置材料信息、设置载荷信息、运行疲劳分析。15课题的研究内容151背景激光冲击强化是改善金属材料表层物理机械性能的加工方法之一。70年代
38、初,美国贝尔实验室就开始研究用高密度的激光束诱导的冲击波束来改善材料的疲劳性能,经过了多年的研究,已取得了长足进展,2002年,美国已经生产出商业用激光喷丸系统,每小时喷丸零件的表面积可达1M2。激光喷丸技术已开始用于机械大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟9制造领域中的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷部件的处理,核工业领域核废料罐的处理,还用于船舶工业中船体焊接板焊缝的处理,最为典型的应用就是航空发动机叶片的强化15。与传统机械喷丸和冷挤压工艺相比,激光冲击处理产生的材料应变率高106107S1、残余压应力层深、激光束可达性好以及工艺参数易精确控制等诸多优
39、点,所以备受航空工业和核工业的青睐11。1792年，美国BATTLESCOLUMBUS实验室的FAIRANDBP等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7050铝合金的显微结构组织和力学性能，研究表明7050铝合金材料经激光冲击后，其屈服强度02提高30。由于激光具有良好的可控性及可重复等诸多特点，因此脉冲激光产生的冲击波成为研究固体表面改性的新工具，从此揭开了激光冲击强化处理材料的应用研究序幕16。研究激光冲击处理对疲劳寿命的影响是研究激光冲击处理的重要内容。很多激光冲击处理的结果就是为了延长疲劳寿命。目前研究的主要手段是通过疲劳试验来研究激光冲击对疲劳的影响。然而疲劳寿命费时、费力成本极
40、高，如果能利用有限元软件来研究激光冲击处理对疲劳寿命的影响，将大大降低研究成本。随着有限元软件的发展，精度的不断提高，功能的不断增强，能够满足的一定的要求。152内容本文主要做了一下几个方面的工作一、激光冲击试验。试验是在NDGLASS实用型激光冲击强化装置上进行，其外观尺寸为MMM2910151。使用水作为约束层，调节激光参数如下光斑直径3MM，脉冲能量12J，功率密度I0291GW/CM2，波长1054NM，输出光束发散度17MRAD，重复率05HZ，输出不稳定性10，系统自发辐射能量（ASE）为15MJ，单次冲击。二、疲劳试验。疲劳实验在华东理工大学动力机械工程学院完成，实验机型号为PL
41、G100C高频疲劳试验机。此次拉拉疲劳试验，最大拉力471575KN，应力比R01,频率F80HZ。试验材料采用飞机上广泛使用的7050T7451铝合金，试件分为两类一类无激光冲击强化的普通试件，一类为激光冲击强化后的试件。三、疲劳分析。对疲劳实验结果进行了研究分析，察看激光冲击处理对疲劳寿命的影响。大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟10四、激光冲击的数值模拟。利用ABAQUS软件模拟了激光冲击强化处理。五、疲劳寿命的数值模拟。利用MSCFATIGUE软件模拟了7050铝合金拉拉疲劳寿命。153意义目前，国内外研究的重点是激光冲击原理的研究和利用疲劳试验来研究激光冲击对于疲
42、劳寿命的影响14。但是疲劳试验存在着试验周期长、成本高等缺点。随着有限元软件的不断发展，功能的不断增加，精度的不断提高。可以利用有限元软件进行疲劳计算，能够满足一定的要求。利用有限元软件来进行疲劳寿命的数值模拟虽然取得了一定的成果，但是还未成熟。特别是激光冲击强化后试件的疲劳数值模拟还需要进一步的研究。疲劳寿命的数值模拟不但可以节约试验以及研究成本，还可以进一步深入研究激光冲击对疲劳寿命的影响。大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟11第二章激光冲击试验及试样的疲劳试验激光冲击强化处理技术以无接触、无污染、高效、灵活等优点而独占鳌头，尤其是激光冲击金属材料表面，冲击波诱导材料表
43、面产生塑性变形，从而产生残余压应力，以此提高材料的抗拉强度、表面显微硬度、抗磨损、抗疲劳等性能。激光冲击强化在中国还处于研究和初步应用阶段，从事这方面研究的主要有南京航空航天大学和江苏大学。最近，WCHENG等人对航空发动机叶片进行激光冲击处理，耐疲劳寿命得到显著提高。由于激光冲击的应力波持续时间极短微秒，特别是有效处理成品零件上具有应力集中的局部区域，例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲劳寿命，所以LSP技术的工程应用前景较好1619。21激光冲击试验211试验装置1激光冲击强化试验装置试验是在NDGLASS实用型激光冲击强化装置上进行，其外观尺寸为MMM2910151。图21激光冲
44、击装置FIG21APPARATUSOFLASERSHOCKPROCESSING该装置由一级调Q钕玻璃激光振荡器（钕玻璃棒MMMM20020）、一级钕玻璃激光前置放大器（钕玻璃棒MMMM20020）及一级钕玻璃激光主放大器（钕玻璃棒MMMM20020）组成。激光波长M061，脉冲宽度NS5020，输出功率J5010，输出激光以焦距CM110的透镜聚焦，实验时，以硅光二极管大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟12将激光波形转换成电信号输入示波器，并用激光能量计测量每次激光冲击输出的能量。激光器总体激光光路排布如图22所示图22激光冲击光路装置示意图4FIG22THESCHEMAT
45、ICREPRESENTATIONOFOPTICPATHSSETTINGOFLASERSHOCKPROCESSINGM多层膜反射镜；SDC可饱和燃料盒ID小孔光阑；QQS调Q振荡器；PA前置放大器；MA主放大器；FL聚焦透镜；RLS待处理的试件。钕玻璃作为激光工作物质具有尺寸大、均匀性好、易加工和价格低等优点，已获得日益广泛的应用。钕玻璃中3ND离子与激光有关的能量属于四能级系统。基态0E的粒子被光泵抽运到3E能量级后通过无辐射跃迁到达亚稳能级2E。当2E能级粒子数超过1E能级粒子数时，形成2E和1之间的粒子数反转，此时对M601的光就有增益。当增益G超过阀值后，就形成激光震荡，输出M601的激
46、光。由于它属于四能级系统，所以有较高的效率。钕玻璃输出激光的单色性很差，线宽在5NM至10NM之间，并随着激光水平的增高而变宽。由于钕玻璃激光比较差的单色性，包含有的模式较多，所以钕玻璃常被用于锁模激光器，以获得皮秒的超短脉冲。钕玻璃可以获得较大尺寸的材料，并有较高效率，因而可以做成大能量件。但是钕玻璃的热传导低，妨碍器件能量的进一步提高。2残余应力测试装置利用X350A型X射线应力仪，对激光冲击强化处理后的试样进行X射线应力分析，X射线衍射分析时其管电压为22KV，管电流为6MA，铬靶K特征辐射，准直管直径为2MM，2扫描步距为10，时间常数为1S，试验对冲击区域半径方向的残余应力进行了测量
47、。大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟13图23X350A型X射线应力测试仪FIG23X350AXRAYSTRESSTESTEQUIPMENT212试样制备试验材料采用飞机上广泛使用的7050T7451铝合金，试样分为三类进行对比试验，一类为预制裂纹试样，其表面裂纹示意图如图24，一类为预制小孔试样，其表面形状如图25，另一类为无裂纹完好试样（图26）；试样的化学成分及材料性能参数分别见表21、表22。图24预制裂纹试样形貌及尺寸图FIG24PRECRACKEDSPECIMENMORPHOLOGYANDDIMENSIONS大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟
48、14图25小孔试样形貌及尺寸图FIG25PREHOLESPECIMENMORPHOLOGYANDDIMENSIONS图26无裂纹试样形貌及尺寸图FIG26CRACKFREESPECIMENDIMENSIONS表217050T7451超厚板化学成分TAB217050T7451THICKPLATECHEMICALCOMPOSITION质量分数/牌号SIFECUMNMGCRZRZNTI其他AL单个合计70500。120。152。02。60。101。92。60。040。080。155。76。70。060。050。15余量大学硕士论文激光冲击强化7050铝合金疲劳寿命数值模拟15表227050T7451
49、超厚板机械性能TAB227050T7451THICKPLATECHEMICALCOMPOSITION牌号供应状态厚度MM取样方向抗拉强度BMPA规定非比例延伸强度0。2MPA断后伸长率5不小于7050T74516076L5034349LT5034348ST469407376102L4964279LT4964276ST4694003注L为纵向，LT为横向，ST为高向。选择设定激光冲击参数，参数选择结果列于表23。根据工业化应用的需要选用水作约束层，由于试件边缘有棱角，使用硅酸乙酯黑漆涂层容易脱落，所以选用铝箔作为保护涂层，铝箔厚度为01MM。冲击方式选为无重复单面处理和双面处理对比试验。为了效果的均匀性，采用圆形光斑，半圆搭接。表23激光冲击参数TAB23PARAMETERSOFLASERSHOCK材料功率密度脉冲宽度光斑面积能量2CM/GWNS2J7050T7451完好试样29120009127050T7451预
