2022年船用高速泵叶片微激光冲击强化仿真试验

1、船用高速泵叶片微激光冲击强化仿真试验【摘要】 高速泵的叶片在高速旋转中简单由于高速振动和气蚀而导致失效；提高关键部位的疲惫强度和表面硬度，可以保证泵的安全使用；相比较于传统改善材料表面性能的工艺（喷丸，滚压，挤压），微激光冲击强化有许多优点，同时工艺环境也有严格的要求，工艺参数的讨论有特别重要的意义；本文通过abaqu软s 件的数值仿真模拟了微激光冲击强化过程以及简化了在曲面上的微激光冲击强化的模型；通过转变激光冲击强化的模型，并比较两个模型的模拟结果，对两个模型的模拟结果的应力做出了量化的评估；【关键词】微激光冲击强化力学性能 数值仿真 高速泵叶片1 前言船用高速泵面临着恶劣的作业条件，叶片

2、在高速旋转中简单由于疲惫振动而断裂，同时叶片气蚀后简单发生振动疲惫断裂error: reference source not found，提高高速泵叶片的表面性能有重大意义；激光冲击强化作为一种金属材料表面改性技术，可以大幅提高船用高速泵叶片的表面性能，进而提高泵叶整体的抗疲惫和抗腐蚀性能error: reference source not found；试验中微激光冲击强化的试验成本很高，并且在没有数值模拟的指导下试验胜利的可能性很低；由于运算机技术的日益提高，有限元分析的结果越来越靠近真实试验甚至和实际试验过程一样；在激光冲击强化的数值模拟过程中冲击压力运算，仿真模型的建立对数值模拟结果的

3、精确性有很大的影响；2 微激光冲击强化原理简介微激光冲击强化（ ulsp）：利用短脉冲 一般在 50ns 以内 、高功率密度的激光通过透亮约束层 , 作用于金属表面所涂覆或贴附的吸取层上, 吸取层吸取激光能量后快速气化, 形成稠密的高温、高压等离子体 , 该等离子体连续吸取激光能量后急剧升温膨胀, 然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面；当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时, 材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力；激光作用终止后, 由于冲击区域四周材料的反作用, 其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力error: reference source not found；

4、从而抑制工件表面的裂纹的产生和裂纹的扩展；如图1图1 激光冲击原理示意图而微小尺度的激光冲击强化与大光斑的激光冲击强化相比，微激光冲击强化具有光斑小，冲击作用力集 中，冲击坑深度浅，获得的残余压应力层深度浅，对零件冲击作用力小等优点；3 微激光冲击强化仿真3.1 曲面的激光冲击的压力分布激光作用于曲面上时，曲面上产生的冲击压力的方向为曲面的外法线方向；同样强度的激光冲击到相同正投影面积的曲面上得到的冲击压力相同；但是当激光光束冲击到曲面上 时，实际作用的面积区域比平面大从而导致单位面积上的强度降低；并且，等离子体在曲面上膨胀与平面上不同，所以曲面上的激光冲击强化的冲击压力的径向开头放松的时间与

5、平面上的不同；但是由于光斑半径很小，可以忽视这个因素的而影响；最终只考虑由于几何因素所引起的冲击压力的差异；二者差异示意图如图2：图2 平面激光冲击与曲面激光冲击的差异示意图3投影关系可以折算出，曲面上的激光冲击强化的冲击压力的时间空间函数；如公式（ 1）：（1）式中：曲面的外法线与激光束的轴线的夹角如下列图，假设光斑的圆心的坐标为，曲面任意一点（冲击范畴内），而此处的外法线的方向向量为；设定激光束中心轴线与曲面的交点坐标为；就可以得出激光束轴线的方向向量为；而从光斑圆心到任意运算点的向量为；由线性代数所学的学问可以运算出（2） 而从任意运算点到激光轴线的距离如下式（3）由公式（ 1）、（ 2）和公式（ 3）可以推出曲面的激光冲击强化的冲击压力分布函数为（4）3.2 johnson-cook本构模型由于在激光冲击强化过程中，冲击强度高，作用时间短导致应变速度快；而且仿真分析时需要考虑冲击后的产生屈服后材料的特性，而jc模型4 适用于模拟高应变速率下的金属材料，所以