船用中厚板激光弯曲成形过程数值模拟及实验研究

1、上海交通大学硕士学位论文船用中厚板激光弯曲成形过程数值模拟及实验研究姓名:裴培申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:姚舜20080201船用中厚板激光弯曲成形过程数值模拟及实验研究摘要板材激光弯曲成形技术是一种利用高能激光束扫描板材,在板材内部产生不均匀的热应力使板材成形的新型工艺。与传统的成形方法相比,该工艺具有不需外力和模具、生产柔性大、加工成本低、成形精度高并能进行硬脆材料变形等优点,在航空航天、船舶、汽车和微电子等领域具有广阔的应用前景。本文使用有限元分析软件ANSYS对船用中厚板激光弯曲成形过程进行数值模拟。建立了三维热应力耦合模型,分析了成形过程的温度场、形变场及应力场变化

2、规律,发现板材在激光弯曲成形过程发生明显的绕X轴方向的弯曲,同时沿X轴方向和Y轴方向增长等一系列现象。为验证数值模拟结果,对船用中厚钢板激光弯曲成形过程进行了实验研究,采用激光位移传感器测量了板材弯曲高度,采用热电偶测量了激光扫描过程中板材节点温度实时变化情况,发现实验实测的结果与模拟计算结果相吻合,从而验证了数值模型的准确性。为进一步研究激光加工工艺参数与板材弯曲角度的关系,分别采用不同扫描速度、不同激光功率、不同光斑大小及不同扫描次数进行船用中厚板激光弯曲成形实I验研究。发现在一定范围内板材激光弯曲角度随扫描速度的减小、激光功率的增大、光斑直径的减小、扫描次数的增多而增大的规律。关键词:激

3、光弯曲成形,热应力,金属板材,数值模拟,激光弯曲实验IINumerical simulation and experimental research on laser forming of moderate-thick ship building steelABSTRACTLaser forming is a recently developed sheet m etal forming technology. IN t he process the nonuniform thermal stress induced by laser irradiation is utilized to fo

4、rm sheet metal into different shapes. Compared with conventional sheet metal forming process, it has many advantages: during the laser forming process,no external forces and hard dies are required, with this process,a variety of shapes can be formed and even brittle materials may be deformed. These

5、make laser forming can be applied in aerospace, shipbuilding,automobile,microelectronic industries and so on.In this paper,the laser forming process of moderate-thick ship building steel plate is simulated by FEM software ANSYS.A 3-D coupled thermal-structural FEM simulation is carried out;the tempe

6、rature, deformation and stress distribution of irradiated plate are simulated; these fields are analyzed and a series of conclusions are summarized:steel plate will be bended around the x-axis,and the dimension will increase in X-axisIIIand Y-axis direction.Corresponding experiments are performed to

7、 evaluate the accuracy of the numerical simulation. A laser sensor is used for deformation detection, and a thermocouple is used for temperature detection during the experiment. It is found that the experimental results agree well with simulated results. For further analysis, the experiments of lase

8、r forming are performed with different scanning speeds,laser powers,laser focal dimensions and scan times. The conclusion is made that in a certain range,the bending angle of laser forming increases with the scanning speed decreasing,the laser power increasing,the laser focal dimension decreasing,or

9、 the scan times increasing.KEY WORDS:Laser forming,thermal stress,sheet metal,Numerical simulation,Laser bending testIVShanghai Jiao Tong UniversityFeb. 2008上海交通大学学位论文原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。除文中已经注明引用的内容外,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

10、法律结果由本人承担。学位论文作者签名:裴培日期:2008 年2月2 日上海交通大学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。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。(请在以上方框内打“”学位论文作者签名:裴培指导教师签名:姚舜日期:2008 年2 月20 日日期:2008 年2 月20 日第一章绪论1.1 前言激光加工是指激光束作用于物

11、体表面而引起物体几何形状或性能改变的加工技术,由于其无接触、不需要工模具、清洁、高效、方便实行数控、可以用来进行特殊加工等优越性,目前已广泛应用于汽车、冶金、航空航天、造船、纺织、化工、建筑、仪器仪表、微电子工业等众多领域1-2。但广泛应用于制造压力容器、汽车、船舶、飞行器的外壳等大型金属构件生产中的板材和型材的弹塑性弯曲和冲压成形工艺,仍采用在外力作用下借助于模具来实现的传统方法。实际生产中,由于模具的设计、制造周期长,加工费用高,故较适用于大批量生产。对于小批量或大型工件的生产,使用传统的成形工艺必然导致成本较高,很不经济。近年来,板材激光弯曲成形技术正在引起工程界的注意。由于金属板材的热

12、胀冷缩特性,当其受到不均匀加热时,材料内部会产生热应力,致使板材发生变形。当热应力超过材料的屈服极限,板材产生塑性变形,甚至出现裂纹而失效。因此,实际生产中往往尽量避免不均匀加热的产生。但是如果由不均匀加热而产生的热应力的大小及方向控制得当,使由此产生的塑性变形朝着预定的方向发展时,这种热应力成形方法便成为一种有效的塑性加工手段。激光弯曲成形技术就是利用激光束作为热源,通过对金属板材表面进行局部扫描,在热作用区域内将会产生非均匀分布的热应力。当这一热应力超过了材料随温度变化的屈服极限,就会产生压缩塑性变形,在板料冷却后形成残余应力和永久性弯曲变形。激光弯曲成形实际上就是一种基于材料的热胀冷缩特

13、性,用热应力代替外力实现板材成形的技术的工艺方法。与传统的成形工艺相比,金属板材激光弯曲成形技术有如下特点3-4:(1 激光弯曲成形为无模成形,因而生产周期短,柔性大,特别适合于小批量或大型1工件的生产。(2 激光弯曲成形为非接触成形,在成形过程中无外力作用,因而没有工件回弹现象。(3 激光弯曲成形是热态累积成形,每一次激光扫描的变形区及变形量都很小,总的变形量由多次扫描累积而成。而且变形总是在热态下进行,因而能够弯曲常温下难变形的材料。(4 因不受模具限制,可容易地复合成形制作各类异形件。(5 因每次变形量小,曲线弯边时不易产生皱折。(6 借助红外测温仪及形状测量仪,可在数控激光加工机上实现

14、全过程闭环控制,从而保证工件质量,改善生产环境。(7 激光束良好的方向性和相干性使得激光弯曲技术能够应用于受结构限制、传统工具无法接触或靠近的工件的加工。(8 对激光束模式无特殊要求,易于实现成形、切割、焊接等激光加工工序的复合化。虽然国内外对于激光弯曲成形的研究都还处于起步阶段,但其独特优点已使人们感受到它潜在的巨大效益。它可以广泛应用于各个领域。例如在航空航天业中,裂纹是飞机安全的重大威胁,裂纹的产生除了由撞击引起,更多的是材料本身由于各种原因所导致,目前飞机机身有大量的联接,铆接、焊接方式广泛应用,但焊接裂纹是焊接件中最常见的一种严重缺陷,而铆接工艺板材采用搭接形式和使用大量的铆钉大大增

15、加飞机重量,而安全性与机身重量正是航空航天领域中要考虑的两个重要因素。如果可以采用激光成形技术成形飞机机身,一方面可以减少连接从而提高安全性,另一方面可以减轻机身重量运输效率;而在船舶制造工业中,船体的外板通常用中厚钢板经弯曲成形制成,通常采用胎具热压法或水火弯板法加工。胎具热压法要制备专用的胎具,生产成本较高,水火弯板法多用于加工复杂形状的曲面板,通常用氧乙炔焰作为热源,这种热源的稳定性差,难以精确地控制其功率和能量分布,而激光功率稳定,其光斑中能量分布确定,是一种理想的可精确控制的局部加热热源。因此可以应用激光弯曲技术来实现船体外板的曲面成形,把工人从复杂、艰苦而且凭手工经验的工作环境中解

16、放出来,提高生产效率,缩短造船周期,2降低造船成本。此外激光弯曲成形技术在汽车、微电子等各个领域也具有广阔的应用前景。1.2 激光弯曲成形机理激光弯曲成形工艺是一种具有强有力竞争优势的新工艺,广阔的发展前景已经使其受到越来越多的重视,对它的研究具有十分重要的意义。而深入的研究首先要了解这种成型工艺的机理。同时激光弯曲成形属于复杂的瞬态热力耦合问题,其变形场取决于由加工工艺参数、材料性能和板材尺寸决定的温度场。温度分布的变化,将导致金属板材产生不同的变形行为。因此,在激光弯曲成形研究中,成形机理是问题的关键。对于给定金属板材,只有揭示出不同工艺参数条件下激光弯曲成形的机理,才能利用热弹塑性力学知

17、识对其进行定量分析研究,掌握不同成形机理条件下金属板材的变形规律,从而实现激光热成形的精确控制。目前,许多国内外学者对激光弯曲成形机理做了大量的研究工作,总结起来主要有四种主变形机制可较好地解释板料激光成形过程,即温度梯度机理、屈曲机理、增厚机理和弹性膨胀机理,此外还有一种介于温度梯度机理和增厚机理之间的耦合机理也曾被提出。当采用直径小,扫描速度快,能量密度高的激光束照射在板材的上表面时,上表面瞬间加热至高温状态,而下表面没有受到直接照射其温度较低,此时在加热区的厚度方向上产生很大的温度梯度。一方面,由于温度升高,加热区产生热变形,但板材上表面的膨胀量远远大于下表面,从而使板材产生背向激光束绕

18、 x 轴的反向弯曲角。另一方面,加热区域金属材料由于温度的升高屈服极限大大降低,而加热区域周围材料尽管有少量温升但仍保持高的屈服极限和弹性模量,限制了加热区材料的膨胀,一旦热应力超过屈服应力,加热区上表面产生塑性压应变,导致板材的上表面出现材料的少量堆积。在冷却阶段,上表面材料温度降低,加热区开始收缩,屈服极限升高,加热受压时产生的材料堆积不能复原。同时,上表面材料温度降低3而下表面温度仍要继续升高一段时间,下表面热膨胀量继续增加,材料屈服应力降低而易于变形,随着冷却过程的继续,温度梯度逐渐变小,使板材产生面向激光源绕 x 轴的正向弯曲,如图1-1(a 所示。由于温度梯度较大,塑性压缩变形仅发

19、生在上表面附近,在金属板中性层没有塑性变形产生,板材仅产生弯曲变形而没有平面收缩变形产生。另外,在加热阶段,由于在厚度方向上产生很大的温度梯度,上表面激光扫描路经附近x方向的膨胀量远远大于下表面 x 方向膨胀量,导致产生绕 y 轴的反向弯曲。上表面材料由于周围冷态材料的限制在 x 方向产生压应力,当应力超过屈服应力时,加热区上表面产生 x 方向塑性压应变。冷却时,塑性变形不能复原,于是,局部的收缩使板材在加热线区域产生面向激光源绕 y 轴的正向弯曲,如图1-1(b 所示5。 (a (b图1-1 温度梯度机理:(a绕x轴弯曲(b绕y轴弯曲Fig.1-1 The temperature gradi

20、ent mechanism:(abend about the x-axis (bbend about the y-axis当激光束的直径较大,扫描速度较慢,板材较薄,热传导率较高时,板材上表面首先被加热,上表面材料先于下表面材料发生膨胀,而在加热区域内,厚度方向的温度梯度很小。加热区域由于升温产生膨胀,而周围冷态材料的约束使加热区产4生很大的压应力,同时,由于加热区域较大,并且随着温度的升高材料屈服应力大大降低,结果导致加热区材料发生屈曲,屈曲区中心的材料发生塑性变形。当屈曲开始发生时,如果上表面的 y 向拉应变远远大于下表面的 y 向拉应变,板材产生背向激光源绕 x 轴的反向弯曲,如图1-2

21、(a 所示;当屈曲开始发生时,当上表面的 y 向应变与下表面的 y 向应变大致相等时,板材可能产生背向激光源绕 x 轴的反向弯曲也可能产生面向激光源绕 x 轴的正向弯曲,如图1-2(b 所示。一旦屈曲产生,由于屈曲区两侧以及扫描路径上的其它区域依然是弹性变形,从而使弯曲内侧的变形进一步增大,内侧的残余塑性变形大于外侧的残余塑性变形。冷却时,虽然正反面都产生向收缩,但板材总的横向收缩量弯曲内侧仍大于弯曲外侧,最终金属板的弯曲方向和屈曲初始方向一致6。 图1-2屈曲机理:(a绕x轴反向弯曲(b绕x轴正向或反向弯曲(c绕y轴反向弯曲(d绕y轴正向或反向弯曲Fig1-2 The bucking mec

22、hanism:(abending about the x-axis away from the laser beam (bbending about the x-axis either towards or away from the laser beam (cbending about the y-axis5away from the laser beam (dbending about the y-axis either towards or away from the laser beam 另一方面,加热区不仅受 y 方向压应力,在 x 方向也受到压应力。由于加热区材料随着温度升高屈服强

23、度下降,且区域较大,因而在 x 方向很容易发生屈曲。当屈曲开始发生时,如果上表面的 x 向应变远远大于下表面的 x 向应变,板材产生背向激光源绕 y 轴的反向弯曲,如图1-2(c 所示;当屈曲开始发生时,当上表面的 x 向应变与下表面的 x 向应变大致相等时,板材可能产生背向激光源绕 y 轴的反向弯曲也可能产生面向激光源绕 y 轴的正向弯曲,如图1-2(d 所示。一旦屈曲产生,由于屈曲区两侧以及扫描路径上的其它区域依然是弹性变形,从而使弯曲内侧的变形进一步增大,冷却后,板材总的横向收缩量弯曲内侧仍大于弯曲外侧,最终金属板的弯曲方向和屈曲初始方向一致。当激光束的扫描速度和能量密度都较小时,板的厚

24、度方向的温升几乎是同步的,厚度方向温度差较小。与屈曲机理不同的是由于金属板厚度较大,大的惯性矩阻止了加热区屈曲的发生。在加热过程中,金属板上表面压缩应变和下表面压缩应变相差较小,随着温度升高和材料屈服应力下降,由于受周围冷态材料的约束,加热区域发生塑性变形。冷却后,材料不能完全复原,材料产生堆积而导致板材变厚且在 y 方向收缩变短,如图1-3 所示。 图1-3 增厚机理:(a加热初始阶段(b最终形状Fig1-3 The upsetting mechanism:(ainitial stage of heating (bfinal shape after cooling6另一方面,由于上表面压应变

25、略大于下表面压应变,导致金属板不仅产生扫描线区域厚度增加,而且也产生面向激光束绕 x 轴的较小弯曲变形,而绕 y 轴的弯曲变形较小可忽略不计。总的来讲,在增厚机理下,平面应变是主要的,弯曲应变是次要的,平面应变远大于弯曲应变,在精度要求不高的条件下弯曲应变可忽略6。如图1-5所示,当激光束只照射一个点或局部块时,在板料加热区导致的热膨胀要比温度梯度机制的大。由于膨胀潜力大,就会消除周围冷态材料对其产生的塑性压缩,而只剩下弹性膨胀压缩。这种压缩形成的内应力,将会导致板料产生纯的弹性变形,使板料出现小的反弹弯曲。采用这种机制,不能通过在同一个位置反复加热来加大变形量,因为这样会使上一次获得的弹性变

26、形首先松弛,然后重复其膨胀过程。要使变形量增大,只能通过对邻近区进行点或块照射5。 图1-4 弹性膨胀机理Fig1-4 The deformation under the elastic expansion mechanism耦合机理包含温度梯度机理和增厚机理的特征,其加工工艺参数介于温度梯度机理和增厚机理之间。从前面的分析可知,温度梯度机理条件下,塑性压缩变形仅发生在上表面附近,在金属板中性层没有塑性变形产生,因而,金属板只产生绕 x 轴和绕y轴的弯曲变形;在增厚机理条件下,金属板上下表面塑性压缩变形量几乎相等,因而,金属板只产生平面收缩变形。耦合机理条件下,金属板材中性层处产生塑性变形,且

27、上表面塑性变形量大于中面塑性变形量,板材不仅产生弯曲变形也产7生平面收缩变形。于是,可以把耦合机理条件下板材的变形分为两部分,其中,部分 a 对应于增厚机理,部分 b 对应于温度梯度机理,如图1-4 所示6。 图1-5 耦合机理Fig1-5 The plastic deformation under the coupling mechanism1.3 板材激光弯曲成形的主要影响因素激光弯曲成形过程中,加热区厚度方向的塑性应变梯度决定了板材的弯曲变形程度,塑性应变梯度与厚度方向的温度梯度?T和塑性区宽度l有关,如图1-6所示。 图1-6 金属板材激光弯曲成形的热区温度梯度与塑性区分布Fig1-6

28、 Distribution of temperature gradient and plastic zone for laser bending sheet metal一种情况,塑性区较窄,整个加热区厚度方向均形成较大的温度梯度;另一种情况,塑性区较宽,且在较宽的范围内存在厚度方向温度梯度,但加热区厚度方向温度梯度较低。哪一种情况产生的弯曲变形较大要视温度梯度与塑性区宽度的综合效果而定。此外,厚度方向的塑性应变梯度还与加热区周围金属的拘束程度有关。由此看来,板材的弯曲变形与激光的能量输入方式、板材尺寸及材料性能都有关。概括地说,激光弯曲成形的主要影响因素7主要有以下几方面,如图1-7所示:8上

29、海交通大学硕士学位论文 Kitamura 用 15Kw CO2 激光器对厚度为 22mm 的钢板进行反复弯曲。1985 年日本学 者 Y.Namba 以 S45C 碳钢激光硬化处理为例，研究了材料温度分布和热变形，最先 提出了一种在不加外力的条件下仅利用热应力使板料产生塑性变形的新型加工方法 激光成形法， 并用简单的弯曲实验证实了板料激光成形的可能性。 1986 年， Y.Namba 首次公布了用激光弯曲成形技术构建宇宙空间站的设想10。其思路是：首先在地面 上讲空间站的外壳卷成卷状，然后用运载火箭将其带入外层空间，在地球上用大功 率激光束照射设在空间中的凹面镜，将光束重新聚焦并反射在卷状外壳

30、之上，由于 采用了激光弯曲成形技术，卷状外壳被展成更大直径的圆筒，并以此作为宇宙空间 站的仓体。Namba 的大胆想象，引起了学术界的高度欣赏，他的这篇论文也由此成 为激光弯曲成形技术研究的经典之作。1987 年，Namba 发表了他关于金属及合金板 材的激光弯曲成形研究的另一篇论文，作为前期研究的持续与深入11。1987 年，美 国的一个研究小组将激光弯曲成形技术用于造船业， 成功地进行了厚度为 24.5mm 的 船壳的成形12。麻省理工学院也有开展这项研究的报道13 。波兰科学院基础技术研 究所的 H.Franckiewicz 教授，自 1988 年起，耗资两百万美元左右，设计了专用的激

31、光弯曲成形设备，先后制造出了筒形件、球形件、带凸缘的管件及波纹管等12，14。 20 世纪 90 年代以来，激光弯曲成形技术愈来愈引起各国学者的注意，世界上许 多国家都先后对利用高能激光束作为热源的板材激光弯曲成形技术投入的大量人力 物力进行研究。 德国学者 M.Geiger 和 F. Vollertsen 等在激光弯曲成形机理、工艺、数值模拟、 激光成形与其它加工工序复合化等方面作了一系列工作，并己利用该技术进行汽车 覆盖件的柔性校平和其他成形件成形15，且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制， 提高了成形精度16。提出了一个描述激光弯曲成形过程的“双层模型” ，将变形区的 材料以中性层为界分为

32、收缩区和扩展区，考虑板材厚向的温度梯度和材料热膨胀率 导致的力偶之间的平衡以及材料的几何守恒，研究激光弯曲成形的机理17，将成形 机理归纳为温度梯度机理、镦粗机理和屈曲机理18。建立了分析模型来描述激光弯 曲成形过程19，模型假定物性参数为常数，热源为定值。用 FDM 和 FEM 对激光弯 13 曲成形过程温度场进行了模拟计算20,模型中物性参数随温度变化,热源匀速移动。 S.Amada等21认为激光弯曲成形的最终形状主要取决于板材尺寸以及加热冷却过程。对薄板弯曲成V形和U形进行了实验研究,基于弹塑性理论有限元分析建立模型,预测的弯曲角度与实验符合较好。J.Magee等22研究了航空合金的激光

33、弯曲成形。分析了一种钛合金和高强度铝合金板材激光弯曲成形过程的影响因素。发现激光功率对塑性应变、弯曲角度影响很大。沿相同轨迹增加扫描次数时,有明显的弯曲角度偏离,且边界效应显著。这些影响可以通过改变施加在板材表面上的激光功率来加以控制。弦形状。使用有限元软件ANSYS,建立了三维非线性瞬态热力耦合模型,考虑到不同激光器所产生的激光束间的差异,采用待定系数的热源模型,用小步距间歇跳跃式移动热源来模拟激光束的连续扫描,计算随时间变化的温度场、应力应变场以及预测板材的最终弯曲角度。对船用薄钢板激光弯曲成形过程进行了模拟计算和实验验证。在分析模型中25,综合考虑了激光弯曲成形的各种因素,包括板厚方向上

34、的非均匀温度分布,在一定区域中产生的塑性变形和随后由塑性应变而产生的板材弯曲,以及材料性能随温度的变化。完善后的模型实现参数化,并考虑了板材维数和激光照射参数。14过不同条件下弯曲角度的变化和曲线弯曲边界检验了边界效应模型,给出了对边界效应影响的更为全面的解释。Thomas Herrige等28在研究扫描方案的同时,对圆心角为20的环形试件(扫描线绕圆周方向建立了有限元模型,计算了5次连续扫描冷却后的场分布,分析表明温度场以及冷却后平行于扫描线的应力状态与温度梯度机理下直线扫描结果极其相似。而扫描区域垂直于扫描线的塑性应变分布不对称,是由于板料各部分所处的加热条件不同,激光束对未扫描区域有预热

35、作用。Z.Hu等29对激光直线扫描薄板进行了三维有限元分析,模拟得到了不锈钢AISI304和铝在多道扫描时的温度场变化。不锈钢导热性较差,因此加热时温度迅速上升到最高,冷却过程相对平缓。铝是热的良导体,热循环过程与不锈钢不同,在板厚方向上铝的温度梯度比不锈钢的要小一些。弯曲角度随激光扫描次数增加而线性增加,随板材厚度的增加而减少,并受激光功率和扫描速度的影响。国内从90年代起对板材激光弯曲成形技术开始了初步研究。西北工业大学的季忠、吴诗悼等人31采用准静态非耦合模型,对激光束扫描板材表面时形成的三维瞬态温度场进行了有限元模拟,并将温度载荷转化为节点力,进一步完成了三维热弹塑性变形场的模拟。模型

36、考虑了对流、辐射以及材料的热物性与温度的相关性,材料为各向同性,激光束为能量均布的方形光斑,用小步距间歇跳跃式移动光源来代替激光束的连续扫描。对常温下钛合金板材进行了激光弯曲成形研究32,分析了激光束能量效应、板材的几何效应以及材料的性能效应对板材激光弯曲成形的影响,15并获得了理想的工艺参数范围,为钛合金板材弯曲成形提供了一种新途径。李纬民等33用大变形弹塑性有限元法,模拟并分析了板材激光弯曲过程中的变形规律。计算模型采用四节点四边形板壳单元,在板厚方向取七个积分点,由于变形在长度方向的对称性,取长度方向的二分之一进行分析。讨论了几何参数和工艺参数对最终弯曲变形的影响。山东大学的管延锦等34

37、对不进行预弯曲板料经激光束扫描后仍可产生背向激光束的弯曲变形这一现象,用有限元方法分析了其成形过程的温度场、应变场的变化,提出其成形机理属于屈曲机理。使用Msc.Mar。软件建立了三维热力耦合有限元模型,考虑了对流和辐射换热,光束能量密度服从高斯分布,研究了材料性能参数如弹性模量、屈服强度等对板料激光弯曲成形的影响。分析了圆柱形件的成形过程,提出了三维激光成形中合理规划扫描路径和扫描顺序时的基本原则。北京航空航天大学的王秀凤等35为研究薄板激光弯曲机理,对薄板的弯曲机理进行了数值模拟和试验研究。结果表明,温度梯度是材料产生应力、应变的根源,材料的最终变形是热应变与相变共同作用的结果。薄板激光弯

38、曲成形机理是温度梯度机理,薄板在激光照射下所引起的最终变形的方向取决于材料的性质,可能是朝向激光束或背向激光束。刘顺洪等36采用大功率CO2轴快流激光器进行了低碳钢板的三维激光成形的规律研究。讨论了不同板材界面原始几何形状的激光弯曲与时间、温度之间的关系。研究了不同激光扫描路径和顺序对球冠成形的影响,结果表's原始工件形状和扫描引起截面惯性矩的变化对三维激光弯曲成形有很大影响。张立文等37利用非线性有限元分析软件MSC. Marc建立了三维热力耦合有限元模型,实现了对船用中厚钢板激光弯曲过程温度场和变形场的数值模拟,预测了激光弯曲成形的最终弯曲角度。采用CO2激光器对一端夹持的船舶钢板

39、进行了激光弯曲成形的实验研究,通过建立一个温度位移数据采集系统来获得激光弯曲过程的温度和弯曲变形量,实验结果与模拟结果吻合较好。影响激光弯曲成形的因素很多,如何获得一次扫描弯曲角度最大的工艺参数16组合是研究人员最关心的问题。季忠、王忠雷等38采用动态显式有限元法结合遗传算法进行板料激光弯曲成形工艺参数的优化设计,通过算例证明了系统的有效性,对于其它基于数值模拟的工艺参数优化具有参考意义。1.5 论文主要工作由于板材激光弯曲成形的巨大优越性,其在材料加工领域具有广阔的应用前景。但作为一种复杂的热力耦合过程,影响其成型的因素很多,要做到精确控制各项参数以获得预期形状的成形件需要进行深入的研究。虽

40、然目前国内外学者在成形的机理、数值模拟和应用等方面做了许多工作,利用各种计算方法进行计算并取得的一些成果,但研究仍处于初级阶段,系统研究多数针对的是薄板的简单弯曲成形,中厚板的研究较少。在数值模拟过程中,对移动热源加载方法的处理,热力耦合计算等方面仍需进一步完善。本论文在前人研究和实践的基础上,应用传热学、弹塑性理论及数值计算方法,利用有限元分析软件,建立了板材激光弯曲成形过程三维热力耦合模型。通过模拟计算,可以得到成形过程中温度、应力、变形等的变化规律。结合实验验证数值模型的有效性,同时优化成形工艺参数,增加数值模型的精确度,从而能够更好地预测弯曲角度。针对板材激光弯曲成形过程温度场和变形场

41、的研究现状,拟定本论文研究内容如下:1.基于有限元分析软件ANSYS建立板材激光弯曲成形过程三维热力耦合计算模型。优化模型网格划分,研究不同热源模型的分别,全面考虑工件尺寸,材料性能随温度变化关系,表面空气对流热损失等综合因素的影响,实现对板材激光弯曲成形过程的温度场和变形场的数值模拟。从模拟结果分析板材激光弯曲成形过程温度及板料弯曲角度的变化规律。2.对船用中厚板激光弯曲成形过程的温度场和形变场进行模拟计算,通过实验测量板材上表面激光扫描线附近一点及板材下表面激光扫描线对应一点处温度随时间变化曲线,以及不同激光工艺参数条件下板材弯曲角度值。将实验结果同计算结17果相比较,验证了数值模型的有效

42、性和适用性。并且结合试验数据优化了数值模型。3.模拟计算不同激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光扫描速度等条件下,板材激光弯曲成形过程,并且结合试验,对板材激光弯曲成形过程的成形规律和激光加工工艺参数对板材弯曲角度的影响规律进行了分析。18上海交通大学硕士学位论文 种方法具有很大的灵活性和适应性，特别是用于具有复杂形状和条件的物体。40它 是一种将连续介质力学理论、数学计算和计算机技术相结合的一种数值分析方法。 板材激光弯曲成形过程中，激光照射区域温度在极短的时间内达到高温，板料上 下表面形成强烈的温度梯度，随着光斑的移动，板材各个方向温度分布急剧变化， 与此同时，材料各个方向发生塑性变

43、形，因此板料激光弯曲成形过程是一个复杂的 三维热弹塑性热力耦合变形问题。针对这种情况有限元法无疑是一个有效的分析手 段。 2.2 有限单元法基础理论 在物理或工程问题中， 位移、应力、温度、电流等物理量称为场变量，它们在 一定区域内满足某些控制方程。在域边界上满足给定的边界条件，有时还有初始条 件，它们统称为定解条件；控制方程和定解条件构成所谓定解问题的微分方程或数 学模型，这种将物理或工程问题以微分方程形式表征的方法称之为定解问题的数值 分析。 从本质上讲，有限单元法就是求解微分方程的数值方法，即在物理或工程问题 的数学模型之基础上进行近似计算。由此，有限元计算的精度并不意味着实际问题 求解

44、的精度，而更应注意问题的分析模型的重要性。在结构分析中，数学模型主要 是指基于力学模型得到的控制方程，其是否符合实际关键在于力学模型中引入的基 本假定。例如结构变形属于小变形还是大变形；材料是线性弹性的还是非线性的等 等41。而有限元法的分析程式早已标准化，典型步骤包括结构或区域离散、单元分 析、整体分析和数值求解几个步骤，对于本文作主要研究的热应力问题，其分析步 骤如下42： 1.结构的离散化 有限单元法中的结构离散化过程，简单地说，就是将分析的对象化分为有限个单 元体，并在单元上选定一定数量的点作为节点，各单元体之间仅在指定的节点处相 连。有限单元法的整个分析过程就是针对这种单元集合体来进

45、行的。单元的划分， 22 上海交通大学硕士学位论文 通常需要考虑分析对象的结构形状和受载情况。为了能有效的逼近实际的分析对象， 就必须认真考虑单元划分方案，选择何种类型单元以及划分的单元数目等等。对于 一些比较复杂的结构，有时还要采用几种不同类型的单元来进行离散化。 2.单元分析 首先定义形函数 N(x，通过单元节点变量描述单元域内连续的变量，根据分块近 似的思想，选择一个简单的函数来近似地构造每一单元内的近似解。对于基本未知 量为节点位移的情况，在分析求解时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设， 即选择一个简单的函数来近似地表示单元位移分量随坐标变化的分布规律，这种函 数称为形函数。 定义

46、形函数后， 通过单元节点变量来描述单元域内连续的变量 u(x。 2-1 然后定义单元材料的响应，如应力、应变和热流等。 2-2 . .2-3 其中 N(x表示形函数，是单元节点变量 ，是应变，是应力。 最后展开对等效节点力的计算。分析对象经过离散化以后，单元之间仅通过节 点进行力的传递，但实际上力是从单元的公共边界上传递的。为此，必须把作用在 单元边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等，根据静力等效的原则 全部移置到节点上，移置后的力成为等效节点力。 首先，形成单元矩阵，建立单元与外界环境的平衡关系： 2-4 其中 为单元刚度矩阵， 为单元节点上的等效应力， 为单元节点位移。刚度矩

47、阵按下式计算： 2-5 这样就得到节点等效外力为： 23 上海交通大学硕士学位论文 2-10 式中： q热流密度(W/m2 ，即边界外法线方向单位面积上的热流率 k材料的导热系数 W /(m K 边界外法线方向上的温度梯度， “ ”表示热量流向温度降低的方 向。 热对流是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动引起热量传递的现 象，是相对运动着的流体与所接触的固体壁面之间的热交换过程，在工程中是最具 实际意义的。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀 的过程。对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显。对 流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然

48、发生，是由于温度不均匀而引 起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速 度，能加快对流传热。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿 冷却方程来描述： 2-11 式中： h对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等 TS固体表面的温度 TB周围流体的温度。 热辐射是指物体发射的光，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 一切温 度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波 成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从 0 直至8 ，一般的热 辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。由于电磁波的传播无需任何介质

49、，所以热 辐射是在真空中唯一的传热方式。物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射 来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。在工程 25 上海交通大学硕士学位论文 率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平 衡可以表达为(以矩阵形式表示： 2-15 式中： K 传 导 矩 阵 ， 包 含 导 热 系 数 、 对 流 系 数 及 辐 射 率 和 形 状 系 数 C 比 热 矩 阵 ， 考 虑 系 统 内 能 的 增 加 T 节 点 温 度 向 量 温 度 对 时 间 的 导 数 Q 节 点 热 流 率 向 量 ， 包 含 热 生 成 另外热

50、分析还分为线形和非线性，如果有下列情况产生，则为非线性热分 析： (1 材 料 热 性 能 随 温 度 变 化 ， 如 K(T ， C(T 等 (2 边 界 条 件 随 温 度 变 化 ， 如 h(T等 (3 含 有 非 线 性 单 元 (4 考 虑 辐 射 传 热 非线性热分析的热平衡矩阵方程为 2-16 需要指出的是，热应力下的板材弯曲成形表现出一定的非线性，主要是由于： (1 材 料 的 物 理 性 能 和 力 学 性 能 随 温 度 升 高 而 变 化 ； (2 材 料 对 激 光 的 吸 收 系 数 会 因 不 断 的 烧 灼 而 发 生 不 同 程 度 的 变 化 ； (3 随 弯

51、 曲 角 的 增 大 ， 材 料 的 加 热 区 受 拘 束 的 状 况 有 所 改 变 。 因此，在精 密激光弯曲成形中，工艺参数应根据形状测量仪及红外测温 仪的反馈结果不断进行修正，才能准确获得所要求的变形。 27 上海交通大学硕士学位论文 高温度的时刻不同，而且材料的机械性能随温度而变化，不满足全量理论的加 载条件，适合采用增量理论分析和计算激光弯板的热弹塑性过程。 (1 弹 性 区 全应变增量可表示为： 2-23 是 满 足相容条件而产生的弹性应变增量。在达到某一应力状态 弹性矩阵 随温度而变化，则 2-24 热应变增量 是 的增量微分，即 2-25 是热膨胀系数的有效值。 由 2-

52、23 、 2- 24 、 2- 25 三 式 得 到 2-26 式中 (2 塑 性 区 设材料屈 服函 数 为 f( ， 其值在温度 T、应变硬化指数 K 等条件下 时，因 达 到 f0 ( ， 材 料 就 开 始 屈 服 ， 即 2-27 31 上海交通大学硕士学位论文 写成微分形式，则 2-28 在塑性区域内，全应变增量分解为 2-29 式中， 为塑性应变增量。 根据流动法则，有 2-30 由上述各式得到 2-31 式中， 则塑性区域内的应力应变关系可以表示成下列形式 2-32 式中， 为弹塑性矩阵，且 2-33 而 2-34 32 上海交通大学硕士学位论文 (3 强大的求解功能。ANSY

53、S 提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适 的求解器。 (4 强大的非线性分析功能。ANSYS 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线 性、材料非线性及状态非线性分析。 (5 智能网格划分。ANSYS 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限 元网格。 (6 良好的优化功能。可实现 APDL 语言编程和 VB、VC 封装优化。良好的用户开 发环境。 ANSYS 软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高 效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及 热- 结构耦合问题：它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工 程

54、模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量：它的统一和集中式的 数据库，保证了系统各模块之间的可靠和灵活的处理；由于 ANSYS 软件具有上述优 点，其在机械、电机、土木、电子及航空等工程领域获得广泛应用。由于 ANSYS 独特的优越性，也为论文研究板材激光弯曲成形提供了强有力的科学工具。 2.6 本章小结 本章重点介绍了数值分析基础理论和数值分析方法，包括有限差分法、直接差 分法、边界元法、有限单元法特点及应用；简要阐述了物理或工程问题的有限单元 法的求解基础知识；介绍了热传导及材料弹塑性基础理论；且对有限元模拟软件 ANSYS 的三个模块、适用范围、优越性进行讨论；为板材激光弯曲成形建模分析奠 定了理论基础。 35 上海交通大学硕士学位论文 激光弯曲过程的影响因素众多，过程比较复杂，要建立完全准确反映实际情况的 模型尚有困难，为了比较准确的表达其过程，必须进行合理简化，因此论文作如下 的假设： (1 被处理材料各向同性，即材料的物理力学性能值与位置无关，但随温度变化而变 化，且与温度呈分段线形关系； (2 系统处于准稳定状态，扫描过程持续一段时间后，空间温度及应力