激光喷丸强化镍基合金的疲劳性能研究.doc
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激光喷丸强化镍基合金的疲劳性能研究,24000字50页摘要本文以实现激光冲击强化in718镍基高温合金工艺参数的优化，提高in718镍基合金的疲劳性能为研究目的，在深入分析国内外关于激光冲击强化技术和镍基高温合金疲劳性能的研究成果的基础上，对不同激光能量和不同基体温度下，in718镍基高温合金激光冲击强化的残余应力场分布...
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激光喷丸强化镍基合金的疲劳性能研究
24000字 50页
摘 要
本文以实现激光冲击强化In718镍基高温合金工艺参数的优化，提高In718镍基合金的疲劳性能为研究目的，在深入分析国内外关于激光冲击强化技术和镍基高温合金疲劳性能的研究成果的基础上，对不同激光能量和不同基体温度下，In718镍基高温合金激光冲击强化的残余应力场分布进行了数值模拟，选取典型板状光滑疲劳拉伸试样、含预制小孔疲劳拉伸试样以及激光冲击强化后含预制残余应力场的疲劳试样的疲劳性能进行数值模拟研究，在此基础上，实现激光冲击强化过程工艺参数的优化和疲劳服役寿命的预测。
通过COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型，分析了激光冲击强化过程中试样的残余应力场分布状况和规律，并且研究脉冲激光能量和温度因素对In718镍基高温合金激光冲击强化诱导的动态应力场和稳态应力场的影响规律。利用COMSOL Multiphysics软件模拟分析板状光滑疲劳拉伸试样、含预制小孔疲劳拉伸试样以及激光冲击强化后含预制残余应力场的疲劳试样的应力集中区域及特点，在此基础上，实现激光冲击强化对不同类型In718镍基高温合金试样疲劳性能的预测，结果表明：
（1）随着激光能量的提高，试样残余压应力幅值增大，残余压应力影响深度增加；随着试样温度的提高，试样残余压应力幅值有所降低；
（2）板状光滑疲劳拉伸试样应力集中部位在夹持区与拉伸区的过渡区域，含预制小孔疲劳拉伸试样的主要应力集中部位转移到小孔处，含预制小孔疲劳拉伸试样的疲劳寿命与板状光滑疲劳拉伸试样相比大幅下降；
（3）由于残余压应力可以部分抵消外加拉伸载荷的作用，降低疲劳试样中实际施加载荷的大小。在加载初期，虽然残余压应力场在外加循环载荷作用下有所释放，但是仍可有效延缓疲劳损伤的积累。激光冲击强化形成的残余压应力场能够有效提高镍基高温合金In718的疲劳寿命。
关键词：激光冲击强化、In718镍基合金、残余应力场、疲劳性能、数值模拟
ABSTRACT
In order to improve the fatigue property of In718 Superalloy and to optimize the parameters of laser shock peening, a simulation of LSP on 718 superalloy and virtual fatigue testing of several FEA models were carried out based on the lucubrating of numerous researches done by scientists and researches all over the world.
Firstly, numerical simulation research of LSP on In718 Superalloy under different laser pulse energy and different temperatures are carried out in COMSOL Multiphysics. Then in the fatigue module of COMSOL Multiphysics, virtual fatigue testings of standard plate fatigue testing specimen, fatigue testing specimen with small hole and fatigue testing specimen with residual stress field are explored. The following phenomena and laws are discovered during the numerical simulation researches.
(1) As the pulse energy of LSP improves, the greatest value of the residual stress goes up and the the residual stress field goes deeper. However, as the substrate temperature improves, the greatest value of the residual stresses goes down.
(2) The stress concentration area of plate smooth fatigue tensile specimen is in the transition area of clamping area and tensile area. The stress concentration area of fatigue tensile samples containing preformed hole transfer to the hole. The fatigue life of fatigue tensile samples with small hole has fallen dramatically compared with standard plate fatigue testing specimen.
(3) The residual stress field formed by laser shock processing can effectively improve the fatigue life of In718 nickel-based superalloy. Since the residual stress can be partially offset by the effect of the applied tensile load,reducing the actual size of the fatigue loads applied to the sample.In the early stage of loading,although the residual compressive stress field has been released under the applied cyclic loading, but still effectively delay the accumulation of fatigue damage.
Key Words: Laser Shock Peening, IN 718 Superalloy, Residual Stress, Fatigue Property, Numerical Simulation
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2镍基高温合金表面强化工艺的研究现状 2
1.3激光喷丸强化技术 4
1.3.1激光喷丸强化技术研究现状 5
1.3.2激光喷丸强化数值模拟技术 7
1.4 本文研究的意义及主要内容 9
1.4.1本文研究的意义 9
1.4.2本文研究的主要内容 9
第二章 激光喷丸强化镍基合金残余应力场的数值模拟 11
2.1 激光冲击强化工艺常用的仿真软件 12
2.1.1 ANSYS\LS-DYNA & ANSYS 13
2.1.2 ABAQUS 14
2.1.3 COMSOL Multiphysics 15
2.2 数值仿真的基本方法 15
2.3 材料动态本构模型 16
2.4 冲击波的传播规律和加载方法 17
2.5 不同激光冲击参数下激光喷丸强化仿真 19
2.5.1不同激光能量 19
2.5.2不同温度 21
2.6 本章小结 22
第三章 激光喷丸强化镍基合金疲劳性能的数值模拟 24
3.1 疲劳分析基本方法 24
3.1.1疲劳的概念 24
3.1.2疲劳分析流程 24
3.1.3疲劳分析的荷载谱模式 25
3.2 疲劳分析软件 26
3.2.1 MSC.Fatigue 27
3.2.2 COMSOL Fatigue Module 28
3.3 疲劳分析的数值模拟 28
3.3.1 疲劳仿真试样分析 28
3.3.2 基于载荷谱模式的疲劳分析 35
3.4 本章小结 36
第四章 激光冲击强化实验平台 37
4.1 激光冲击强化实验平台的组成 37
4.2 运动控制平台的结构方案 37
4.3 运动控制平台的软件 40
4.4 本章小结 40
第五章 总结与展望 41
5.1 总结 41
5.1 展望 41
参考文献： 42
致谢 45
24000字 50页
摘 要
本文以实现激光冲击强化In718镍基高温合金工艺参数的优化，提高In718镍基合金的疲劳性能为研究目的，在深入分析国内外关于激光冲击强化技术和镍基高温合金疲劳性能的研究成果的基础上，对不同激光能量和不同基体温度下，In718镍基高温合金激光冲击强化的残余应力场分布进行了数值模拟，选取典型板状光滑疲劳拉伸试样、含预制小孔疲劳拉伸试样以及激光冲击强化后含预制残余应力场的疲劳试样的疲劳性能进行数值模拟研究，在此基础上，实现激光冲击强化过程工艺参数的优化和疲劳服役寿命的预测。
通过COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型，分析了激光冲击强化过程中试样的残余应力场分布状况和规律，并且研究脉冲激光能量和温度因素对In718镍基高温合金激光冲击强化诱导的动态应力场和稳态应力场的影响规律。利用COMSOL Multiphysics软件模拟分析板状光滑疲劳拉伸试样、含预制小孔疲劳拉伸试样以及激光冲击强化后含预制残余应力场的疲劳试样的应力集中区域及特点，在此基础上，实现激光冲击强化对不同类型In718镍基高温合金试样疲劳性能的预测，结果表明：
（1）随着激光能量的提高，试样残余压应力幅值增大，残余压应力影响深度增加；随着试样温度的提高，试样残余压应力幅值有所降低；
（2）板状光滑疲劳拉伸试样应力集中部位在夹持区与拉伸区的过渡区域，含预制小孔疲劳拉伸试样的主要应力集中部位转移到小孔处，含预制小孔疲劳拉伸试样的疲劳寿命与板状光滑疲劳拉伸试样相比大幅下降；
（3）由于残余压应力可以部分抵消外加拉伸载荷的作用，降低疲劳试样中实际施加载荷的大小。在加载初期，虽然残余压应力场在外加循环载荷作用下有所释放，但是仍可有效延缓疲劳损伤的积累。激光冲击强化形成的残余压应力场能够有效提高镍基高温合金In718的疲劳寿命。
关键词：激光冲击强化、In718镍基合金、残余应力场、疲劳性能、数值模拟
ABSTRACT
In order to improve the fatigue property of In718 Superalloy and to optimize the parameters of laser shock peening, a simulation of LSP on 718 superalloy and virtual fatigue testing of several FEA models were carried out based on the lucubrating of numerous researches done by scientists and researches all over the world.
Firstly, numerical simulation research of LSP on In718 Superalloy under different laser pulse energy and different temperatures are carried out in COMSOL Multiphysics. Then in the fatigue module of COMSOL Multiphysics, virtual fatigue testings of standard plate fatigue testing specimen, fatigue testing specimen with small hole and fatigue testing specimen with residual stress field are explored. The following phenomena and laws are discovered during the numerical simulation researches.
(1) As the pulse energy of LSP improves, the greatest value of the residual stress goes up and the the residual stress field goes deeper. However, as the substrate temperature improves, the greatest value of the residual stresses goes down.
(2) The stress concentration area of plate smooth fatigue tensile specimen is in the transition area of clamping area and tensile area. The stress concentration area of fatigue tensile samples containing preformed hole transfer to the hole. The fatigue life of fatigue tensile samples with small hole has fallen dramatically compared with standard plate fatigue testing specimen.
(3) The residual stress field formed by laser shock processing can effectively improve the fatigue life of In718 nickel-based superalloy. Since the residual stress can be partially offset by the effect of the applied tensile load,reducing the actual size of the fatigue loads applied to the sample.In the early stage of loading,although the residual compressive stress field has been released under the applied cyclic loading, but still effectively delay the accumulation of fatigue damage.
Key Words: Laser Shock Peening, IN 718 Superalloy, Residual Stress, Fatigue Property, Numerical Simulation
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2镍基高温合金表面强化工艺的研究现状 2
1.3激光喷丸强化技术 4
1.3.1激光喷丸强化技术研究现状 5
1.3.2激光喷丸强化数值模拟技术 7
1.4 本文研究的意义及主要内容 9
1.4.1本文研究的意义 9
1.4.2本文研究的主要内容 9
第二章 激光喷丸强化镍基合金残余应力场的数值模拟 11
2.1 激光冲击强化工艺常用的仿真软件 12
2.1.1 ANSYS\LS-DYNA & ANSYS 13
2.1.2 ABAQUS 14
2.1.3 COMSOL Multiphysics 15
2.2 数值仿真的基本方法 15
2.3 材料动态本构模型 16
2.4 冲击波的传播规律和加载方法 17
2.5 不同激光冲击参数下激光喷丸强化仿真 19
2.5.1不同激光能量 19
2.5.2不同温度 21
2.6 本章小结 22
第三章 激光喷丸强化镍基合金疲劳性能的数值模拟 24
3.1 疲劳分析基本方法 24
3.1.1疲劳的概念 24
3.1.2疲劳分析流程 24
3.1.3疲劳分析的荷载谱模式 25
3.2 疲劳分析软件 26
3.2.1 MSC.Fatigue 27
3.2.2 COMSOL Fatigue Module 28
3.3 疲劳分析的数值模拟 28
3.3.1 疲劳仿真试样分析 28
3.3.2 基于载荷谱模式的疲劳分析 35
3.4 本章小结 36
第四章 激光冲击强化实验平台 37
4.1 激光冲击强化实验平台的组成 37
4.2 运动控制平台的结构方案 37
4.3 运动控制平台的软件 40
4.4 本章小结 40
第五章 总结与展望 41
5.1 总结 41
5.1 展望 41
参考文献： 42
致谢 45
