1、學(xué)校代碼：10248學(xué)號(hào)：0050202012申請(qǐng)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文激光沖擊處理工藝過(guò)程數(shù)值建模與沖擊效應(yīng)研究激光沖擊處理工藝過(guò)程數(shù)值建模與沖擊效應(yīng)研究博士生：博士生：胡永祥導(dǎo)師：導(dǎo)師：姚振強(qiáng)教授學(xué)科專(zhuān)業(yè)：學(xué)科專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究方向：研究方向：激光加工技術(shù)上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院中國(guó)上海中國(guó)上海二零零八年一月二零零八年一月激光沖擊處理工藝過(guò)程數(shù)值建模與沖擊效應(yīng)研究激光沖擊處理工藝過(guò)程數(shù)

2、值建模與沖擊效應(yīng)研究摘要摘要激光沖擊處理工藝是一種新型的表面處理工藝，在航空、航天、汽車(chē)、國(guó)防裝備等方面均有著廣泛應(yīng)用前景。該工藝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜、研究難度大，是激光加工技術(shù)和表面處理技術(shù)方向的研究熱點(diǎn)。小能量激光沖擊處理工藝作為近幾年激光沖擊處理工藝技術(shù)一個(gè)新的發(fā)展方向，已成為激光表面處理工藝的研究前沿。本文系統(tǒng)性地論述了在激光沖擊處理工藝過(guò)程數(shù)值建模和小能量激光沖擊效應(yīng)方面的研究成果，主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新如下：構(gòu)建了基于小能量脈沖激光的

3、連續(xù)沖擊處理工藝系統(tǒng)構(gòu)建了基于小能量脈沖激光的連續(xù)沖擊處理工藝系統(tǒng)。從激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波產(chǎn)生的宏觀(guān)和微觀(guān)機(jī)理出發(fā)，對(duì)等離子體產(chǎn)生過(guò)程及其影響因素進(jìn)行了理論分析。研究了脈沖激光連續(xù)沖擊處理在工藝實(shí)現(xiàn)方面的技術(shù)難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)吸收層與約束層等關(guān)鍵工藝要素的分析與實(shí)驗(yàn)研究，獲得了實(shí)現(xiàn)脈沖激光連續(xù)沖擊處理的最佳工藝方法，即采用流動(dòng)水膜作為約束層、黑色絕緣膠帶作為吸收層，用小能量Nd:YAG激光獲得可靠的連續(xù)沖擊效果，為開(kāi)展脈沖激光連續(xù)沖擊處理工

4、藝研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。提出了激光沖擊處理工藝高效數(shù)值仿真建模方法提出了激光沖擊處理工藝高效數(shù)值仿真建模方法。采用顯式動(dòng)態(tài)分析與隱式靜態(tài)分析相結(jié)合，仿真分析沖擊壓力作用下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。基于沖擊壓力峰值誤差和沖量誤差的容許度，確定顯式分析的時(shí)間步長(zhǎng)；根據(jù)能量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，將動(dòng)能趨于零、變形能趨于穩(wěn)定的時(shí)間作為顯式求解時(shí)間。通過(guò)單點(diǎn)沖擊條件下表面變形效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。揭示了小能量脈沖激光的單點(diǎn)沖擊效應(yīng)特征揭示了小能量脈沖激

5、光的單點(diǎn)沖擊效應(yīng)特征。研究發(fā)現(xiàn)提高功率密度，可以增強(qiáng)材料表層殘余應(yīng)力場(chǎng)，但是當(dāng)功率密度大于某一特征值時(shí)會(huì)引起“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象，即沖擊區(qū)域殘余壓應(yīng)力峰值不出現(xiàn)在光斑幾何中心。另一方面，同一位置多次沖擊后，沖擊效應(yīng)將趨于飽和。此外，研究還發(fā)現(xiàn)利用小能量激光器通過(guò)單點(diǎn)沖擊可在零件表面形成微米級(jí)凹坑，可用于構(gòu)造零件表面功能性形貌，以提高摩擦學(xué)性能。提出了高功率密度下“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理提出了高功率密度下“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。針