小孔构件强化的模拟研究

摘要小孔构件是常见的零件结构，孔周围应力较为集中，极易发生疲劳失效。表面强化处理可以在材料中引起一定范围的残余压应力，由此增加部件的疲劳寿命。研究小孔构件的强化工艺，对于制造业尤其航空工业具有重要意义。本文对孔挤压强化、激光冲击强化及两者复合强化做了详细的介绍，通过理论研究，探索了不同工艺诱导产生残余压应力的机制以及残余应力改善材料疲劳特性的机理。本文着重于应用有限元分析方法，借助ABAQUS有限元软件，模拟了上述强化工艺对7075-T7451铝合金小孔构件残余应力分布的影响。改变冷挤压强化中挤压量、挤压速度大小，激光冲击强化中峰值能量、冲击次数大小以及复合强化的工艺顺序，仿真得出了不同工艺参数作用下小孔构件周围残余应力场的分布规律，为实际制造中选取最优的工艺参数提供一定指导。同时，本文讨论了超声振动辅助孔挤压的强化工艺，通过有限元模拟，分析了该工艺在强化过程力学特性，残余压应力场大小、分布等方面相较于传统强化工艺的优越性，为小孔构件复合强化工艺提供了另一种选择。关键词：孔挤压强化；激光冲击强化；有限元模拟；超声辅助挤压ABSTRACTThesmallholememberisacommonpartstructure,andthestressaroundtheholeisconcentrated,whichispronetofatiguefailure.Surfacestrengtheningtreatmentcancausearangeofresidualcompressivestressesinthematerial,therebyincreasingthefatiguelifeofthecomponent.Studyingthestrengtheningprocessofsmall-holecomponentsisofgreatsignificancetothemanufacturingindustry,especiallytheaviationindustry.Inthispaper,theporeextrusionstrengthening,lasershockstrengtheningandthecompositestrengtheningofthetwoareintroducedindetail.Throughtheoreticalresearch,themechanismofresidualcompressivestressinducedbydifferentprocessesandthemechanismofresidualstressimprovingthefatiguecharacteristicsofthematerialareexplored.Thispaperfocusesontheapplicationoffiniteelementanalysismethod,andusesABAQUSfiniteelementsoftwaretosimulatetheinfluenceoftheabovestrengtheningprocessontheresidualstressdistributionofsmallholemembersof7075-T7451aluminumalloy.Theamountofextrusionandthespeedofextrusionincoldextrusionstrengthening,thepeakenergyinlasershockstrengthening,thenumberofimpactsandtheprocesssequenceofcompositestrengtheningwerechanged.Thedistributionofresidualstressfieldaroundsmallholemembersunderdifferentprocessparameterswassimulated.Regularityprovidessomeguidanceforselectingtheoptimalprocessparametersinactualmanufacturing.Atthesametime,thispaperdiscussesthestrengtheningprocessofultrasonicvibrationassistedholeextrusion.Throughthefiniteelementsimulation,thesuperiorityoftheprocessinthemechanicalpropertiesofthestrengtheningprocess,thesizeanddistributionoftheresidualcompressivestressfieldcomparedwiththetraditionalstrengtheningprocessisanalyzed.Thesmallholemembercompositestrengtheningprocessprovidesanotheroption.Keywords:Holeextrusionstrengthening；Lasershockenhancement；Finiteelementsimulation；Ultrasound-assistedextrusion1绪论1.1研究背景和意义机械零件失效的情况纷繁复杂，失效形式也截然不同，在承受循环载荷的结构中易发生疲劳失效。孔是常见的零件结构，孔的周围应力较为集中，最易发生疲劳失效，因此选用合适的强化方法，来提高零件结构孔的抗疲劳能力，对工业制造领域发展显得尤为重要。特别地，在航空工业中，各种商用、军用飞机拥有成千上万的结构孔。由于对安全性和耐用性的特殊要求，包括螺栓和铆接在内的机械连接仍然是飞机结构部件中的主要连接方式【1】。然而，实施铆接或螺栓连接需要钻通部件以形成紧固孔，这会导致零件的几何不连续，且承受较大的循环载荷。疲劳载荷可能导致结构和部件失效，即使载荷水平远低于材料的极限强度，也会造成严重后果。调查显示，疲劳失效成为飞机结构中最重要的失效模式之一，紧固孔的疲劳失效占飞机零件失效的50％-90％，由于紧固孔附件的疲劳失效导致了许多事故。【2】【3】为了抵消孔对部件疲劳寿命的不利影响，国内外学者已经提出了各种改善疲劳寿命的技术。其中，表面强化技术可以在不改变基体材料质量的前提下，提高特定条件下结构件的可靠性，并延长使用寿命，得到了国际上越来越多的应用和研究。常用的表面强化技术包括激光冲击、喷丸、冷膨胀和过盈配合等【4】。适当的过盈配合是一种改善螺栓连接疲劳寿命的有效工艺方法，但是干扰度难以精确控制。大量的干扰容易损坏孔表面，安装时产生的突起对接头强度有害，不仅影响正常的装配过程，还会降低连接强度。【5】喷丸处理虽然可以通过抵消残余应力来延长疲劳寿命，但它基本上改变了近表面基材的表征参数，包括弹性残余应力分布、增加的表面硬度、较高的近表面位错密度和交替的表面形貌等，并降低了飞机结构的装配刚度。【6】在表面强化技术中，激光冲击强化是一种新型延缓构件疲劳破坏的强化方法，是通过产生残余压应力以改善疲劳和腐蚀性能的绿色方法。激光冲击强化技术由于适用性优、效果较优、环保等特点，受到广泛关注，但对于厚板其强化效果有限且孔壁中部得不到强化，且其对设备和环境要求较高。孔挤压强化技术可以很好的弥补激光冲击对于强化厚板的局限性，使孔壁中间区域得到强化，具有不改变材料、不改变结构设计、成本低、强化效果明显等优势，完全满足当前机械结构设计和制造理念，己被广泛应用于连接孔、螺栓孔等关键承力构件孔的强化。但孔挤压强化对孔的端面（即孔角处）易造成较大的塑性破坏，产生新的疲劳源。因此，近年来也有学者将挤压强化和激光冲击强化两者结合形成一种新的复合强化技术，以实现优势互补。总的说来，研究挤压强化和激光冲击强化技术如何提高小孔构件疲劳强度、延长小孔构件的疲劳寿命具有极其重要的实际意义。我们有必要研究各强化技术的基本原理，模拟各强化技术的应用过程并总结出工艺参数影响强化效果的一般规律，为后续研究和实际生产应用提供一定的参考和指导。1.2国内外研究现状在上述背景作用下，近些年来，专业领域内关于激光强化和挤压强化的研究一直在向前推进着，理论趋于成熟，设备逐渐完善。随着ANSYS、ABAQUS、DEFORM等有限元分析软件的发展，各种强化技术的仿真模拟研究也大范围开展起来，仿真软件简略了对于实验设备的要求，能够为后续研究和制造提供有效的指导。1.2.1挤压强化研究现状挤压强化工艺的研究对现代制造业的发展有着极其重要的意义。国内外的研究学者对挤压强化的研究已有一段时间历程，他们分别在试验和仿真模拟两个方面做了大量的研究，取得了丰硕的成果。早在90年代，Reid.L等人研究了孔挤压强化技术增加构件孔疲劳寿命的微观机理，挤压强化降低了孔表面的粗糙度，部分消除了机械加工过程中产生的微观裂纹和机械损伤。【7】2008年，M.Burlat等对以挤压量为研究变量，对7475系铝合金做了不同挤压量下的孔挤压实验，并通过疲劳试验研究得出了冷挤压对疲劳裂纹生长的抑制作用。【8】2009年，H.D.Gopalakrishana等对2024铝合金孔构件做了冷挤压试验，总结得出了残余应力的分布规律及疲劳寿命的变化情况。【9】2012年，W.Z.Yan等研究了TC4钛合金在开缝衬套冷挤压技术强化后的疲劳特性，得出了残余压应力可以有效降低裂纹增长速率、将孔疲劳寿命提高1.5-3倍的具体结论。【10】2018年李庆林等人运用有限元软件研究了挤压速度改变对挤压强化效果的影响规律，结果表示：挤压过程应尽量保持匀速，任何中断和不连续会造成不利影响；挤压速度过慢容易出现断棒卡棒等问题，过快则易引起较大的不完全塑性变形；挤压速度一般取20-50mm/s为宜。【11】2010年，王宏达对TC4材料紧固孔做了带开缝衬套冷挤压强化试验，并通过对应的二维有限元模拟分析，研究得出了冷挤压工艺后TC4孔构件残余压应力分布的规律。【12】2011年，张洪双、段晓飞对孔挤压强化工艺的各参数进行了定量模拟研究，用ABAQUS软件建立了孔挤压强化对称模型，分析得出了孔周边残余应力分布与孔径、板件厚度、挤压量等参数间的对应关系曲线，为该工艺效果的定量化研究奠定了基础。【13】2013年，杨兴宇、董立伟等人用ABAQUS中的静力学求解算法模拟分析研究了摩擦因数、挤压量、约束方式及挤压速度等参数对残余应力场的影响。【14】2014年，秦锋英等人用ABAQUS软件对TC21孔构件试样进行了冷挤压仿真分析，得出了孔壁及孔角周边的残余应力分布规律，结果显示挤压强化后孔附近残余压应力大小与厚度变化有关，但规律性不太明显。【15】同年，王亮等研究了不同挤压工艺参数作用下7A12铝合金孔构件的疲劳寿命增长情况，优化了部分工艺参数，得出挤压量5%时强化作用较优，寿命是未处理时的13.5倍。【16】2016年，王彩勇进行了小孔构件开缝衬套冷挤压强化的模拟研究，详细介绍了利用ABAQUS软件进行该实验仿真的过程。【17】2018年，姜银方、刘委等人分析了传统冷挤压强化技术的弊端，进行了超声挤压强化的模拟分析，并与冷挤压强化的力学特性进行了对比分析，结果表明引入超声振动后挤压强化过程的摩擦力和接触力会有所减小，孔角的残余应力分布也更完善，有效避免了新的失效源的产生。【18】同年，王燕礼、朱有利等人分析了孔挤压强化工艺的发展历程、机理演化、影响因素等，对该技术几十年来的发展做了一个系统的总结，并基于现代制造水平和航空工业的要求研判了孔挤压强化工艺的发展趋势。【19】1.2.2激光强化研究现状早在1972年，Fairand等众多学者为改善7075系铝合金的力学性质，进行了一系列的激光冲击强化试验，发现激光冲击能显著优化材料的微观组织结构从而提高材料的疲劳寿命。【20】自此之后，该项强化技术的研究得到越来越多科学家的青睐，1977年，Clauer等对7075,2024两种航空铝合金试样进行了大量激光冲击强化试验，发现强化后材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳性能等都得到了极大的改善，随后Clauer还首次提出并试验了在材料表面增加吸收层与约束层的方式来进行冲击强化，并验证了该新型强化工艺的优越性。【21】【22】1998年，ZhangHong等人研究得在小孔激光冲击强化中，冲击范围适宜为孔半径的6～8倍【23】。2006年，Ding等人通过对高应变率响应的研究发现，模拟计算时间应在冲击波压力作用时间的两个级数以上，才能使变形完全，使仿真更接近实际值。【24】2012年，Ivetic等学者对板状构件的小孔进行了激光冲击强化处理实验，发现冲击强化对小孔端面附近的力学性能有明显的改善，产生了较大的参与压应力，还提出了对小孔构件的强化，应遵循先强化后钻孔的处理顺序。【25】2013年，SagarBhamare等用ZA材料模型和ABAQUS/Explicit及ABAQUS/Standard分析计算模块建立仿真模型，对钛合金试样进行多光斑搭接冲击强化模拟，发现完全冲击在材料边缘易产生残余拉应力，宜采用非覆盖式冲击强化。【26】2015年，HemanthK.Amarchinta等人对镍基合金和钛合金试样进行了不同峰值压力作用下的模拟与实验研究，对比得出：JC材料模型在多点多次搭接激光冲击过程的模拟中优于KHL模型和ZA模型。【27】在国内，激光冲击强化技术从20世纪90年代开始处于实验室探索阶段，国内一些科研机构和高校实验室在强化机理、激光设备、残余应力原理等方面得出了一系列有价值的研究理论成果。2007年，马壮等通过研究铝合金材料激光冲击后的各项疲劳性能，发现激光冲击诱导了材料内部晶粒细化，一定程度上限制了位错运动，从而提高了疲劳性能。【28】2010年，桑毅通过有限元仿真模拟与试样试验两种途径得出了激光冲击强化后钛合金小孔构件残余应力场的分布规律，并对试样疲劳寿命进行估算，对比发现两者具有较高的一致性。【29】2013年，乔红超等人对TC4-DT钛合金试样进行激光冲击强化试验，发现冲击区域表面的显微硬度显著体改，且冲击区域附近残余应力平均值高达-323MPa。【30】2014年，李靖等人选取TC17钛合金试样，研究了强化次数对激光冲击强化工艺效果的影响规律，发现随着冲击次数增加，材料表面塑性变形愈发剧烈，晶粒细化现象也更明显，残余压应力值随之增大。【31】2017年，冯文龙使用ABAQUS软件对激光冲击强化小孔构件的过程进行了有限元模拟分析，研究了板厚、材料、峰值压力、冲击次数等参数对强化后残余应力场分布的影响规律，并得出了P-S-N曲线，量化了部分工艺参数的影响效果。【32】同年，刘委研究了冷挤压与激光冲击复合强化工艺，从机理上分析了单一强化工艺和复合强化工艺的优劣，并基于ABAQUS软件进行了单一与复合强化数值模拟，总结得出了工艺参数改变对小孔构件残余应力分布的影响规律。【33】1.3主要内容和研究路线本文以小孔构件为研究对象，采用理论、模拟相结合的研究方法，从“强化小孔构件以改善疲劳性能”的工业制造需求出发，论述了国内外在挤压强化和激光冲击强化两种表面强化工艺领域的研究现状，阐述了两种强化工艺的基本内容和疲劳裂纹扩展理论，并应用ABAQUS有限元仿真软件，分析了单一强化和复合强化对结构孔残余应力分布的作用，最后对引入超声振动后的挤压强化工艺进行了拓展研究，具体研究内容如下：（1）介绍挤压强化技术原理及其影响因素、冲击强化原理及其影响因素，而后结合应力强度及疲劳裂纹扩展理论分析了残余应力场的作用机理，最后分析了复合强化对孔残余应力的影响，为后续模拟研究提供理论支撑。（2）基于ABAQUS有限元分析软件，进行了芯棒冷挤压强化、激光冲击强化过程的数值模拟，得出不同参数下的残余应力分布情况，总结挤压速度、挤压量、能量峰值、冲击次数等参数变化对强化效果的影响规律，而后进行复合强化模拟并探索工艺顺序及其他主要工艺参数对小孔复合强化残余应力分布的影响。（3）针对上述强化工艺存在的问题进行简单分析，引入超声振动辅助挤压来改善强化工艺，模拟研究了不同振动参数下超声挤压强化过程的力学特性，为复合强化提供了另外一种选择。1.4可行性分析掌握国内外文献搜索的技能及渠道，硬性条件完善；基本了解挤压强化和激光冲击技术的相关基本理论，已开始对ABAQUS软件进行学习使用，具备了本课题研究的技术基础；导师对本课题有较深的认识及研究，可提供指导和意见；有独立完成设计研究及论文写作的经验，具备较强的研究能力。2小孔挤压与激光冲击强化的理论研究本章主要介绍小孔冷挤压强化工艺基本原理及其影响因素、激光冲击强化工艺原理及其影响因素，而后结合疲劳裂纹扩张理论，分析了影响材料疲劳寿命的因素，并阐述了上述两种强化技术如何影响构件孔的疲劳寿命，最后分析了复合强化工艺对孔残余应力的影响，为后续模拟研究提供理论支撑。2.1小孔挤压强化基本理论2.1.1冷挤压技术原理波音公司在20世纪70年代早期开发了一种广泛使用的冷挤压紧固孔技术，被视为是冷挤压强化工艺的早期研究者。在正常操作期间，施加在旋转部件上的高离心力导致诸如紧固件孔、冷却孔、排放孔等孔区域中的高应力，在这些区域中，控制失效机制通常是低周疲劳（LCF）。在孔附近产生永久压应力长期以来被认为是延长疲劳关键部件中LCF寿命的有效手段。在冷挤压技术中，一个尺寸略大的心轴穿过小孔，此过程产生弹塑性变形，然后在孔周围产生压缩残余应力。这种残余应力可以降低浓度应力并延缓疲劳裂纹的产生和传播。它在防止经历循环加载的过早疲劳失效方面非常有效。在过去的几十年里，\o"LearnmoreaboutColdExpansionfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"冷挤压技术在航空工业中得到了广泛的应用，以提高飞机机械连接结构、\o"LearnmoreaboutFastenerHolefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"紧固件孔的\o"LearnmoreaboutFatigueLifefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"疲劳寿命。根据不同的挤压工具，已经开发和研究了许多冷挤压方法。在实践中使用最广泛的方法是\o"LearnmoreaboutHoleEdgefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"孔边扩张、直接的\o"LearnmoreaboutMandrelsfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"芯棒挤压(无套筒)和分裂套筒\o"LearnmoreaboutExpansionProcessfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"挤压过程等.孔边扩张孔边挤压过程是通过高硬度圆锥缩进器或刚性球在孔边轴向力F的作用下挤压或锤击，如图所示。在孔边挤压过程中，塑性变形发生在孔缘附近的材料中，然后形成压缩区。残余应力在洞口边缘周围产生。但由于孔壁中部不直接加固，这种方法所带来的疲劳增益效应有限。因此，孔边展开工艺不适用于厚板连接孔，只用于加固板料零件。为了提高零件的疲劳强度，通常需要对孔洞进行多次挤压。实验和分析结果表明，孔边展开工艺对有孔的金属板材具有较好的效果。（2）分裂套筒挤压孔边扩张极易对孔角表面产生不必要的损伤，为了克服这一困难，采用了分裂套筒挤压工艺，如图所示。在该技术中，采用了实心锥形芯棒和内润滑不锈钢分裂套筒。将所述分裂套筒放置在所述芯棒上，然后将所述套筒组件插入到精确尺寸的孔中。当较大直径的芯棒通过套筒时，材料会发生塑性变形。当芯棒从套筒上拔出时，弹性恢复可以发生，裂口套筒在冷挤压后被从孔中移除，留下一个永久扩大的孔和一个期望的压残余应力。由于套筒中存在裂口，在孔表面的孔上形成了一个小凸起的圆管，一个扩孔在操作完成后，才能精确地调整孔的尺寸，这就移除了圆孔，也避免了在圆孔附近出现裂纹。该挤压法具有适应性好、生产效率高、挤压后孔面损伤小等优点，但操作和使用条件较为复杂。（3）直接芯棒挤压直接芯棒挤压扩张工艺是航空工业中最早发展起来的抗疲劳制造方法之一。通过这种方式，冷挤压过程包括将预润滑的锥形芯棒从试样的入口侧穿过孔，并将其从另一侧移除，如图阐述了芯棒直接扩张的方法。孔洞扩大到足以引起永久塑性变形的程度。在拆除芯棒后，周围的弹性材料试图回到其未变形状态，在紧固件孔周围产生适当的残余压应力分布。这种残余应力可以延缓疲劳裂纹的产生和传播，有助于提高疲劳寿命。此外，由于芯棒与孔面接触平滑连续，该方法具有对孔面进行光顺处理的优点。总的看来，直接芯棒孔挤压强化技术能获得大范围的、可控的残余压应力区，具有高压应力，且不受最终表面光洁度的影响，仅产生最小量的表面扰动，同时对生产条件和操作的要求也较合理，本课题即选取该冷挤压技术为模拟研究对象。尽管X射线衍射和应力应变测量技术已取得了较大进展，但残余应力很难准确测量（特别是在非铁合金中）；另一方面，我们需要一些分析方法可以在简单的情况下有效地用于模拟冷挤压，至少可以基本理解该过程如何有助于提高疲劳寿命。因此，有限元模拟已广泛应用于孔冷扩张技术的研究，特别是扩孔的残余应力分析。实验结果表明，通过优化几何模型、边界条件和网格等，可以提高残余应力场的精度。2.1.2冷挤压强化的影响因素（1）挤压量挤压量是孔挤压强过程的一个重要参数。挤压量过小，孔周形成不了相应的塑性变形层，无法达到理想的效果；挤压量太大，又会引起诸如孔表层轴线流动增大，出口处有明显凸起等问题。最佳挤压量主要取决于材料机械性能和孔的大小。最适挤压量要通过多次模拟和试验来确定，这也是本次模拟研究的目的之一。（2）摩擦系数孔挤压强化工艺属于塑性加工过程，芯棒与孔表面接触且存在相对运动，必然会产生摩擦，进而引起接触力、变形力和变形功的增加，加速工件磨损，降低使用寿命，引起不均匀变形，影响工艺塑性。（3）挤压速度孔挤压强化工艺要求芯棒连续、均匀地通过孔空间，使孔周充分变形，其过程不能有暂停、间歇和脉冲载荷。挤压速度过慢，芯棒易发生卡断；挤压速度过快会引起塑性变形不充分，晶格组织也容易不牢固。因此，本次模拟研究也会为选取一个合适的挤压速度提供参考。2.2激光冲击强化基本理论2.1.1激光冲击强化技术原理在过去的20几年中，激光冲击强化（LSP）已被提议作为经典表面处理的竞争性替代技术，用以改善金属的疲劳、腐蚀和耐磨性，旨在在金属靶上引入毫米范围内深度的残余压应力场。更确切地说，LSP使用高能激光脉冲（在GW/cm2范围内）来冲击涂有保护膜（有机涂料，胶带或薄金属膜，避免热效应）的金属表面，并覆盖透明约束层（通常为水或玻璃）。当激光束穿过透明约束层并撞击材料表面时，涂覆层的薄层蒸发。蒸汽继续吸收剩余的激光能量并被加热并电离成高压等离子体。由于透明约束层的限制作用，等离子体压力被放大（高达几个GPa），并且所产生的压力不连续性作为冲击波传播到材料中。这种等离子体限制方案允许在8-10GW/cm2强度范围内获得高达5-6GPa的最大冲击压力，持续10-20ns脉冲持续时间。反过来，只要等离子体压力足以超过金属的Hugoniot弹性极限（HEL），冲击波就会引起塑性变形和压缩应力。因此，样品将在短时间内（在我们的情况下为10至20纳秒）经受极高的应变速率（大于）并动态屈服。需要明确的是，激光冲击强化工艺是机械工艺，而不是热工艺，试图避免所有热效应。根据上述的激光冲击强化过程的分析，我们可以推导出在约束层作用下，等离子体演变的宏观方程：其中，和分别为等离子体压强和轴向宏观线度。现假设:金属材料及约束层的声阻抗(分别代表金属材料和约束层，和代表密度及冲击波传播速率)为常数；内能的部分为热能，用来电离气体，其中取为常数0.1；等离子体视作理想气体处理；等离子体仅轴向膨胀。由此得到等离子体冲击波与金属材料表面相互作用时金属材料所受最大冲击压力：，其中为激光功率密度。该模型计算结果能较好的反应冲击波峰值压力随能量变化的规律。激光冲击强化与其他冲击处理（喷丸处理，超声波喷丸处理，深度轧制）相比，其优势是众所周知的：表面粗糙度相当好的保留，较大大的受影响深度（优于1毫米），以及以几乎相同的压缩幅度在金属材料表面产生应力。为了预测残余应力场并优化激光冲击参数，有限元法（FEM）首先由Braisted和Brockman引入，使用ABAQUS软件预测LSP在碳钢上引起的残余应力，并提出了显式+隐式组合方法。从那时起，一些研究人员使用ABAQUS模拟分析激光冲击波传播到不同的金属材料中，并产生残余变形和应力。这些模拟中的一些结论已经经过验证，与实验测量的残余应力结果相一致。2.1.1激光冲击强化的影响因素激光冲击作用下，作用区域表面和深度方向残余应力分布与光斑直径、冲击层数、搭接率、冲击时间、能量密度等激光冲击参数以及涂覆层、约束层的选择有关。光斑直径不宜过小，否则极易产生参与拉应力，优先采用大面积光斑，但这受激光设备的限制；搭接率主要影响表面残余应力的分布，较大的搭接率会使应力分布更加均匀；激光冲击具有效果叠加特性，多次冲击会产生更大的残余压应力；残余应力也会随冲击时间增长而增大；冲击波峰值压力更是直接影响了作用效果。研究表明，涂覆有吸收层的冲击效果是无吸收层的两倍，但涂覆层过厚也会造成冲击波的路径损失增大，影响强化效果；而约束层的作用在于提高冲击波峰值压力和延长其作用时间，进而改善冲击效果，一般选取流水或玻璃作为约束层。一般地，吸收层参数按如下公式确定：其中，为约束层声阻抗，为吸收层声阻抗，为金属材料声阻抗。光斑直径、激光功率密度和脉冲大小存在如下关系：其中，为激光单脉冲能量，为光斑直径，为单脉冲功率密度，为脉冲宽度。研究表明，较为理想的功率密度满足区间:其中，为吸收层参数，为约束层参数，同为单脉冲功率密度，为金属及约束层声阻抗，为金属材料动态屈服强度，为金属材料动态抗拉强度。2.3疲劳寿命与强化机理分析2.3.1应力强度因子疲劳断裂过程分为三个阶段，即疲劳裂纹萌生，扩张和断裂。其中，常见的疲劳裂纹有三种类型，即张开型、滑开型和撕开型，如图所示。裂纹形态反映了疲劳裂纹萌生和扩张的整个过程。在疲劳寿命中，裂纹传播寿命长于裂纹萌生寿命。为了有效地提高疲劳寿命，需要使用抗疲劳制造方法尽可能地延长裂纹传播时间。裂纹扩张的研究主要包括裂纹扩张区域的大小，裂纹扩张速率，应力强度因子等。当金属材料内部产生裂纹时，理论上裂纹尖端的应力是无穷大的，因此应力集中系数将不再适用，我们需要引入应力强度因子来辅助完成后续研究。一般地，我们有：其中，为一常数或函数，与金属材料现状、裂纹形状、加载方式等有关，为外部名义应力值，为裂纹尺寸。2.3.2残余应力对强度因子的作用无论是冷挤压强化还是激光冲击强化，都是通过产生残余压应力，降低结构孔表面、端面附近的真实应力值，进而影响应力强度因子，以达到抑制裂纹扩张的目的的。残余应力的影响可以用疲劳裂纹闭合模型来解释，其中残余压应力降低了有效应力强度因子，从而降低了裂纹扩张速率。有效应力强度因子（）等于残余应力强度因子（）加上外加载荷（）引起的应力强度因子：假设周期性载荷最大、最小的有效值为和，则：由此可得表面有效应力强度因子和裂纹扩张速度的值为：强化处理后裂纹尖端若存在残余压应力，则为负值，此时我们来对进行分析：残余应力小于外应力，即，则有，因为是负的，所以减小，也即：所以我们可以看到，裂纹尖端的最小有效应力强度因子不变，但裂纹扩张速度随孔的压力比变化。残余应力大于外应力，，则有：可以看到裂纹尖端的最小有效应力强度因子减小，经强化处理后孔的减小，裂纹扩张速度降低，表面残余压应力升高则裂纹扩张时间会变长。2.3.3冷挤压与残余压应力孔挤压强化是通过机械式加载使金属发生弹塑性变形，孔壁附近金属材料发生径向塑性流动，从而生成了周向和径向的变形区域。在该变形区域内，宏观上产生了较大的残余压应力，能够在小孔承受周期性疲劳载荷时抵消部分拉应力，降低平均应力水平；微观上金属内部组织结构发生改变，位错密度升高，残余压应力升高，在承载过程中能够对晶体滑移和位错运动形成阻碍，抑制裂纹生成。如图所示的典型例子，孔边缘附近的峰值压应力几乎等于材料的压缩屈服强度。压应力由离开孔的残余拉应力平衡，其强度为材料拉伸屈服强度的10％至25％。冷挤压孔疲劳寿命通常为类似非冷挤压孔的疲劳寿命的2至10倍。从疲劳裂纹的角度来看，疲劳损坏经常发生在应力集中位置，一般带孔的试样都在最小横截面的平面处断裂。如图所示，最大切向残余压应力发生在中平面附近的孔壁，而最小的残余压应力发生在入口面。SEM研究表明，在冷挤压疲劳试样中，疲劳裂纹开始并传播在孔边缘周围的心轴入口面处，而在未挤压的试样中，分别在孔角和孔表面开始出现疲劳裂纹；前者只有一个疲劳源，而后者有多个来源。因此，在冷挤压孔工艺中，疲劳裂纹生成得到了有效抑制。在相同的裂纹扩张速率条件下，扩大裂纹扩张区域的尺寸可以延长疲劳传播寿命。随着挤压量的增加，裂纹扩张区域的尺寸增大，裂纹扩张速率也得到延缓。残余应力的分布和疲劳裂纹萌生、扩张的规律是一致的。2.3.4激光冲击波与残余压应力激光诱导冲击波作用于金属材料表面，在本课题中，即作用于孔端面附近区域。在设置约束层的前提下，冲击波作用于金属表面产生残余压应力的过程可以分成两部分：首先是在冲击波方向上产生轴向应力，冲击波作用区域金属材料发生塑性变形，接着是在冲击波停止作用后，塑性变形区域受附近未变形区域的反向作用力，在平行于冲击区域的平面内产生了压应力。将金属材料的弹性极限应力定义为Hugoniot弹性极限，用表示。根据弹性-完全塑性（EPP）模型，弹性极限应力和动态屈服强度存在如下关系：，其中，为泊松比。现可以可以合理地假设等离子体引起的压力脉冲在激光光斑的整个表面上是均匀的，并且塑性应变遵循VonMises塑性标准，其中动态屈服强度如上定义。基于该模型，金属材料力学响应与激光冲击波峰值压力的关系如图所示，图中为拉曼弹性系数，取决于(弹性模量)、(泊松比)。当峰值压力低于时，不会发生塑性应变。当峰值压力在和之间时，塑性应变发生纯弹性反向应变。当峰值压力高于时，弹性反向应变变得饱和，只有塑性应变保留在目标中。为了优化峰值压力以获得处理材料的最佳结果，通常使用的峰值压力在和之间。2.4复合强化基本理论2.4.1复合强化基本原理在本文中所提及的复合强化，即将小孔挤压强化（CP）和激光冲击强化（LSP）同时作用于小孔构件上，以期获得更完善的残余应力场，改善构件的疲劳性能的目的。从孔壁路径上来看，单一的小孔挤压强化，在孔壁中部会产生较明显的残余压应力场，但在出口端附近比较薄弱，在入口端甚至会有拉应力场产生，同时，在入口端也极易发生较大的材料损伤，如图所示。而单一的激光冲击强化，只能作用于小孔两个端面附近的表面区域，受技术限制不能直接作用于孔壁上，我们知道，激光冲击强化的影响范围是有限的，一般在深度方向1mm作用，这样一来孔壁中部区域的应力场就没能得到充分的改善如图所示。但复合强化从原理上就能对两种单一强化方式实现优势互补，按残余应力叠加原理分析，激光冲击在两端面表面向材料内部产生冲击波，其形成的应力场与冷挤压在材料中部的应力场相叠加，理论上就能得到如图所示的残余应力场分布规律。2.4.2复合强化的影响因素单一冷挤压强化和激光冲击强化的影响因素已经在前文有所论述，其中每一项因素都必然会对复合强化产生影响，现将本文重点关注的几点列举如下：（1）冷挤压强化中挤压量的大小和挤压速度的变化，这取决于芯棒尺寸和其他工艺参数的选择。（2）激光冲击强化中冲击波峰值压力的大小，这取决于激光设备已经其他工艺参数的选择。（3）复合强化工艺顺序，包括“打孔—挤压—激光、激光—打孔—挤压、打孔—激光—挤压”三种工艺顺序，对复合强化的效果会产生较大的影响。2.5本章小结本章首先从技术应用角度出发，分别介绍了冷挤压强化和激光冲击强化工艺的基本原理，以及影响两种工艺强化效果的重要因素，两者都是利用塑性变形引起的残余应力来实现抗疲劳制造。接着，通过对应力强化因子和残余应力的研究，揭示了两种强化工艺的强化机理，两种工艺主要是通过残余应力和外部应力之间的叠加，使得材料真实的平均应力值降低，从而抑制了疲劳裂纹的产生和扩张。最后，对复合强化的基本内容作了简单介绍，分析了复合强化的优势所在，也归纳了影响复合强化效果的几个主要因素。3小孔挤压与激光冲击强化的模拟研究如上一章所述，影响冷挤压强化、激光冲击强化以及两者复合强化工艺的因素较多，全部通过试样试验来对各工艺效果进行探索研究是不太合乎实际的。因此，本章基于ABAQUS有限元分析软件，进行了三种强化工艺过程的数值模拟，得出不同参数下的残余应力分布情况，总结了挤压速度、挤压量、能量峰值、冲击次数、工艺顺序等参数变化对各强化工艺效果的影响规律。3.1有限元分析（FEA）方法影响小孔强化工艺效果的因素变量很多，想要完全通过实验的方法来进行研究和探索是不现实的。其一，完全实验分析需要消耗大量的人力和物质资源，且工作量庞大、过程繁琐、成本，不合乎实际生产研发需求；其二，虽然许多实验已经采用X射线衍射、单束激光散斑干涉法、光弹性涂层等方法来预测残余应力分布，但由于不同实验方法的固有局限性，仍难以捕获孔壁表面附近残余应力的三维分布；其三，由于测量范围和现有测试方法精度的限制，仍然无法准确测量具有大梯度变化的残余应力场。随着计算机的发展，有限元模拟分析方法可以广泛应用于研究挤压强化和激光冲击强化过程产生的残余应力。通过对网格，材料特性，接触条件，边界条件等的合理设计，可以从数值模拟中获得准确的残余应力分布情况。有限元分析的基本步骤分为三步：结构离散化、单元分析以及整体分析。首先将模型中连续的求解区域划分为有限个网格单元，接着对其中典型的单元进行特性分析，单元特性由节点位移来表示，具体包括由几何方程分析得出的单元应变、结合本构方程导出的单元应力以及由最小势能原理建立的平衡方程，最后由单元平衡方程集合为整体结构的平衡方程，并完成求解。ABAQUS是一款性能优越的有限元分析软件，提供了强大而完整的分析手段，可以用来解决那些常规的、非常规的工程问题，基本覆盖了各类的工业领域。ABAUQS是非线性起家，非线性分析能力在同类软件中较为优越。考虑到激光冲击作用下材料的高应变率（达105-107s-1）响应以及小孔挤压强化的应力应变复杂性，本文选用ABAQUS软件来对小孔构件的强化过程进行有限元模拟分析。如图所示即为应用ABAQUS软件进行有限元分析的基本流程。3.2模拟分析关键问题说明3.2.1材料的本构模型在本文所涉及的强化工艺模拟中，激光冲击强化（以下或简称LSP）的应变速率高达，其材料特性与静态负载显著不同。然而，这种在塑性变形期间由于热量产生而依赖于速率的应变硬化和热软化，通常不是完全已知的，需要借助一个足够简单的模型来预测高应变率下的材料行为。研究人员在LSP模拟期间常用的模型包括：弹性-完全塑性（EPP）模型、Khan-Huang-Liang(KHL)模型、Zerilli-Armstrong（ZA）模型和Johnson-Cook（JC）模型。大量的实验和研究表明，JC模型更适用于高速、高压的情况[27]。JC模型将材料的流动应力（）描述为三个项的乘积：应变硬化项，应变率依赖项和温度项。JC模型的主要优点是参数的估计简单易行，可以隔离三种效应，但该模型受到给定应变速率范围内精确材料特性数据可用性的限制。其中，为等效塑性应变，为无量纲塑性应变率，为同源温度，指当前温度，指参考温度，指熔化温度，五个材料常数是，代表屈服强度，代表杨氏模量，表示硬化系数，则是应变率敏感系数。公式只考虑了应变率效应和温度，为将历史变形和冲击波压力的影响考虑在内，需对该公式进行修正，使其能够准确描述超高应变率的响应，修正后公式为：本文所选择的材料为7050-T7451铝合金，其基本材料参数如表所示。材料密度杨氏模量泊松比屈服强度7050-T7451铝69GPa0.33441MPa材料ABnC7050-T7451铝0.441GPa0.177GPa0.330.023.2.2模拟程序的选择ABAQUS拥有显式和隐式两种常用的分析计算模块，即显式求解器和隐式求解器。隐式算法要对刚度矩阵求逆，多次迭代求解增量步平衡方程，所以对于高度非线性问题有时存在收敛困难，但它是无条件稳定的，也即时间步长没有特别限制，但在解决动态问题时具有过高的计算开销。而显式算法，是按时间步长向前一步一步推进进行数值积分求解的，所以只要模型可以计算，就有结果，不存在收敛困难，最适合短时间、高速非线性问题的求解。因此，对于孔挤压强化的模拟分析，显式与隐式算法均可使用，在此我们选用了显式求解器。而LSP是一个复杂的模拟过程，由于弹性塑性变形和冲击波传播现象，虽然压力脉冲的持续时间是纳秒级，但达到平衡的持续时间是毫秒级。因此，所选择的模拟方法应该平衡计算效率和结果的准确性。为此，科研人员提出了三种模拟方法：特征应变法、ShockLas预测工具以及最常用的显式-隐式组合模拟方法。在这种方法中，LSP过程模拟可分为两个阶段。第一阶段称为激光脉冲相，包括激光脉冲模拟，然后是所有塑性变形，这种高动态短时间事件通常使用显式求解器来模拟。第二阶段（弛豫阶段）包括系统的动态弛豫，其中材料达到静态平衡。如果不施加外力，静平衡的应力是残余应力。在松弛阶段，仅发生弹性变形，通常使用隐式求解器来模拟。我们的想法是先进行ABAQUS/Explicit分析，直到发生所有塑性变形。该运行时间通常比LSP持续时间长2个数量级，以确保变形完全。此时，解决方案停止，并生成包含所有应力，应变和位移数据的重启文件。将该瞬态应力状态从重启文件读入ABAQUS/Standard，以确定静态平衡中的残余应力场，具体程序如图所示：3.2.3激光冲击波的加载冲击波的强度、分布和持续时间取决于激光束的性质。由于等离子体爆破产生的压力脉冲是一个复杂的过程，为准确表征冲击波的性质，在模拟中以压力-时间/空间函数作为输入参数。从时间上看，冲击波压力分布并不是一成不变的，而是在每个作用周期内近似于高斯曲线不断变化，具有半高全宽（FWHM）。通过动态响应时间分析发现，冲击波的作用时间一般为激光辐照时间的2-3倍。对比试验中的压力波加载曲线，用Origin绘制得出了本次模拟所输入的瞬时加载曲线。此外，在作用区域范围内，冲击波在空间上也并非是均匀分布的，尽管在很多模拟研究中看作均匀分布来近似处理，但本文仍然将空间分布考虑在内。一般地，我们将实际压力脉冲表示为时间t和表面坐标x和y的函数：其中，为冲击波峰值压力，为光斑半径，为所求位置与光斑中心的距离，在局部坐标系中，。取，用Origin软件可绘制得如图所示的冲击波压力空间分布三维图。3.3小孔挤压强化的模拟分析3.3.1仿真过程（1）模型建立和材料属性建立小孔构件和挤压芯棒的模型如图所示。针对冷挤压过程的仿真，无需建立完整的挤压系统模型，只需要建立芯棒与小孔的接触体模型。其中，小孔构件是外围尺寸为的长方体变形体模型，在体中心开一个的小孔；芯棒模型为刚体模型，其中前锥角与后锥角满足，工作段长度，最大直径由相对挤压量确定，相对挤压量。小孔构件的材料为7050-T7451铝合金，详细参数在3.2节已列出；挤压芯棒的材料为，其密度约，杨氏模量，泊松比，屈服强度。定义接触对在冷挤压过程中，芯棒外表面与小孔内表面发生面-面接触，其中芯棒外表面（刚性）为主面，孔内表面（柔性）为从面。在挤压过程中，接触面上允许发生切向滑移，需在接触属性里进行设置。同时，由于实际加工使用的芯棒和孔都会经过预处理，两者接触面表面质量较好，因此设定摩擦因数为0.05。设置边界条件在本文模拟过程中，对小孔构件的约束设置成如图所示的侧面完全固定约束，约束其空间的六个自由度。同时，给挤压芯棒的集合RP-1设置一个速度载荷，使芯棒按给定速度匀速挤压通过小孔。划分网格有限元网格的划分对模拟结果的准确度有着很大的影响，这是有有限元分析方法的基本原理决定的。为使仿真结果更贴合实际，应尽量细化网格，但网格数量的增加也会加重分析计算的负担。为此，将小孔边缘10x10mm区域内网格密度设置大一些，而其他区域网格则稀疏一些。SHELL单元不能用于提取材料内部应力，本实验使用实体单元。C3D8R单元适用于高应变率的响应，同时也能一定程度上避免沙漏的产生。构件实体共包含11688个单元。工艺参数的选取在冷挤压强化模拟研究中，主要的变量因素为相对挤压量和挤压速度，具体设置如下。本实验主要研究孔角表面方向以及孔深度方向的残余应力分布状况和应变状况，如图所示，现设定沿孔深方向的数据提取路径为，沿芯棒出口端孔角表面的径向路径为，沿小孔中间截面的径向路径为，沿芯棒入口端孔角表面的径向路径为。在冷挤压模拟研究中，我们主要沿路径提取数据。3.3.2挤压量对强化效果的影响3.3.3挤压速度对强化效果的影响3.4激光冲击强化的模拟分析3.4.1仿真过程（1）模型建立和材料属性本模拟实验所建立的激光冲击模型仅包含小孔构件一个实体部件，小孔构件的外观尺寸、材料属性与3.3节中设置一致，区别在于模型起始未开的中心小孔，而是待强化完成后再进行开孔工序。这是由于GoranIvetic[25]等人通过研究得出，激光冲击后再开孔的循环周期数要比先开孔大，因此宜选用前者。分析步时间选择求解时间的选择对模拟结果的准确性有重要的影响，在前文中已经确定了激光冲击仿真采用显式-隐式组合模拟方法。研究表明，动态求解时间应在冲击波作用于金属表面时间的两个级数以上[24]，以使得材料内部的动能趋于零、动态应力趋于稳定。研究表明求解时间应确定为5000ns左右为宜，在本实验模拟中将显式动态求解时间设定为6000ns，确保塑性变形较为完全。（3）设置边界条件和载荷与3.3挤压强化模拟类似，小孔构件模型的约束仍然设置为侧面完全固定约束，约束6个自由度。ZhangHong[23]等人已研究得出结构孔的冲击范围在孔半径6～8倍左右最为合适，因此本实验模拟中选定的激光冲击范围是10毫米（孔直径为3mm）。如图所示，模拟中选择的激光光斑直径为，大于小孔尺寸。考虑到激光冲击范围较大，且单一光斑冲击效果有限，本次模拟采用多点搭接的方法。如图所示，选择的搭接率，且光斑的移动路径为图中的“Z”字形路径，这样使得冲击过程相对连续。关于搭接率，可按如下公式进行计算，其中，为图中标注的相邻光斑圆心距，为圆形光斑的直径。划分网格与开孔方法实体网格的划分与3.3节中一致，仍然是设置为C3D8R单元网格，在中心孔及激光冲击区域的网格划分得相对密集一些，该实体共包含21036个单元。关于激光冲击仿真完成后模型的开孔问题，目前较为常用的开孔技术即为“生死单元”法，将小孔对应部分的实体单元设定为一个集合，在显式分析完成后的隐式分析模块初始阶段，用单元删除法删除该集合内的单元，从而实现了模型的开孔过程。工艺参数的选取在激光冲击强化模拟研究中，主要的变量因素为冲击波峰值压力和冲击次数，峰值压力分别设定为，冲击次数为1-4次叠加。本实验主要研究激光冲击表面方向的残余应力和应变分布以及激光冲击的影响深度，我们主要沿路径提取数据。3.4.2峰值能量对强化效果的影响3.4.3冲击次数对强化效果的影响3.5复合强化的模拟分析3.5.1仿真过程（1）仿真条件设置复合强化，顾名思义，就是将前文所模拟的冷挤压强化和激光冲击强化复合到同一道工艺中去。因此，仿真模型的建立与3.3节中冷挤压仿真模型完全一致，材料的选择、分析步设置、网格划分等等均参照3.3、3.4两小节内容，网格划分共有17376个C3D8R单元。值得一提的是，在复合强化中接触相关的设置可以略有不同，因为冷挤压和激光冲击是在不同分析步中进行模拟的，当激光冲击在前冷挤压在后时，为收敛性考虑，可以先给芯棒和小孔一个0.001mm的预接触，使芯棒和工件对的接触关系可以平稳过渡。当然，这种设置方法并不是必要的，只是从计算收敛性角度出发建议使用，前文3.3节的单一强化模拟也可以按这种方法进行。（2）工艺参数的选取复合强化工艺对材料的作用与单一强化的影响因素息息相关，根据前文模拟结果分析，选择挤压量和冲击波峰值压力作为复合强化模拟的主要变量因素。此外，由于冷挤压和激光冲击各自工艺条件的限制，两者难以同时进行，需要对两种工艺的先后顺序进行讨论，如图所示，对两种不同工艺顺序进行模拟并比较分析。3.5.2仿真结果与分析3.6总结在小孔构件强化的研究中，通过实验方法监测和研究目标中的动态应力和残余应力是非常困难的，而简单的分析模型也不能有效地描述强化过程的复杂性。在这种情况下，有限元分析方法可以应用于模拟CP和LSP过程，以进一步探索和开发孔构件的强化过程。本章首先对有限元分析方法和ABAQUS有限元软件做了简单介绍，并归纳了使用ABAQUS进行有限元模拟的基础流程。接着，对本章所要进行的三种强化工艺模拟的关键问题进行统一分析，一是材料本构模型的建立，材料行为被定义为弹性-粘塑性，基于Johnson-Cook模型建模；二是对激光冲击的模拟程序进行选择，确定第一步显式分析模拟激光脉冲的动态响应过程，提取材料塑性应变状态并作为本征应变进入第二步隐式分析，模拟“回弹”以确定产生的残余应力场；三是激光脉冲被建模为作用在试样表面上的压力负荷，实际压力脉冲P是时间t和表面坐标x和y的函数。随后，改变挤压量和挤压速度对冷挤压过程进行了模拟，分析发现挤压量和挤压速度的提高都会带来更大的残余压应力，能改善孔构件的疲劳性能，但对孔角等位置的损失也随之增大；改变冲击最高压力和冲击次数对激光冲击过程进行了模拟，两者的增加都会显著提高强化效果，但受实际工艺条件限制，需要作出一个比较衡量；最后，对复合强化工艺中的挤压量、冲击波压力、强化顺序等因素做了模拟研究，分析可得先激光强化再开孔再挤压强化的工艺顺序具有一定的优越性。本章的模拟数据为实际生产过程中工艺参数的选择提供了相关参考。4超声振动辅助孔挤压的模拟研究从上一章的模拟分析得出，先激光冲击在冷挤压强化的工艺顺序是较为合理的。但上述分析中，采用的是传统的冷挤压强化工艺，当挤压量、激光能量等参数较大时，极易在孔角边缘引起材料损伤，孔内表面也难以光整。因此，本章中我们引入超声振动辅助挤压来改善强化工艺，模拟研究了不同振动参数下超声挤压强化过程的力学特性，为复合强化提供了另外一种选择。4.1传统强化工艺问题分析4.1.1问题分析在第3章中，我们分析得出LSP-CP的复合强化顺序是优于CP-LSP顺序的，除残余应力场分布的不同外，前者能够一定程度改善宏观上孔角处的变形损伤。当然，变形损伤仍然是存在的，有学者提出通过改善芯棒的规格来避免该问题，这种防变形挤压芯棒能够对孔角变形产生有效的约束，但对于生产工艺提出了较高的要求，成本也会随之上升。传统挤压强化后，孔的内表面光整度是否符合要求也需要考量。挤压过程是面-面接触且允许切向滑移的，摩擦力不可避免且往往较大，显着影响最终产品的成形负荷和表面质量，而表面粗糙度是会对疲劳寿命产生影响的，因此关注强化后材料表面的光整问题也十分重要。润滑剂的使用是常见的方法，然而，使用润滑剂存在难以从成品部件中去除、化学反应的可能性和环境污染等问题。此外，挤压芯棒的尺寸是较小的，尽管选用了高强度的材料，但在挤压过程中受到的挤压力、摩擦力等仍对芯棒承载力提出了考验，尤其当小孔构件金属材料强度较高时，挤压芯棒可能发生断裂等问题。芯棒自身在使用中也会有磨损或粘料现象发生，这对于工件是不利的，因此芯棒需要经常性更换。4.1.2超声辅助强化基本原理针对上述的问题，学者们提出了多样的解决或改善方案，包括开缝衬套、防变形芯棒等等。目前，超声振动塑性加工工艺逐渐被广泛应用，在传统加工工艺中叠加超声，激励工件或工具高频率振动，能够较好地改善上述几个问题。将超声波振动应用于工具的好处包括减小流动应力、减少成形载荷、增加可实现的变形和提高产品质量。这些好处归因于超声振动的体积效应和表面效应。体积效应与流动应力的减小有关，处理塑性变形过程中振荡对内应力的影响，而表面效应则涉及界面接触条件，与接触界面处的摩擦条件的变化有关。总的说来，在挤压过程中利用超声波振动，可以提高芯棒对工件的瞬时冲击速度，减少挤压过程中的界面摩擦，降低金属的变形抗力，同时提高金属表面硬度，消除表面的微观缺陷，在不加高粘度润滑剂或者促进润滑剂更好地发挥作用的基础上，有效地改善了强化区域的残余应力场分布，提高抗疲劳性能。4.2挤压芯棒振动特性分析4.2.1模态分析模态分析是结构动力学分析的重要内容，在结构优化和性能评估方面起重要作用，几乎所有的现代工程都面临着动力问题。当结构承受短期的动态荷载且结构本身的惯性不能被忽视时，动力学分析就很有必要，常用的动态分析方法包括振型叠加阀和直接解法，瞬时模态动态就是常用的振型叠加法动态分析方法之一。当我们在挤压强化中引入超声振动后，由于挤压芯棒做高频率的振动，对芯棒进行模态分析，以获得其任一阶次模态的准确参数，对之后的模拟研究有重要参考意义。这些模态参数包括固有频率、阻尼比以及模态振型等，用ABAQUS模动力学分析模块可以较为准确地提取出来。当结构处于一定频率的无阻尼自由振动时，其具备唯一固定的振动形式，满足振动方程：其中，为广义坐标列矩阵，为质量矩阵，为刚度矩阵。解该方程可得振幅列矩阵满足：且其求解的特征方程为：使用ABAQUS软件对挤压芯棒进行模态分析，芯棒的材料属性与第3章一致。对于仿真模型的建立，为减少计算量起见，我们不创建完整的超声系统换能器模型，而是将换能器简化为长圆柱体并与芯棒模型一端连接。芯棒模型尺寸与第3章中相同，取挤压量。边界条件设置中，只需在芯棒尾部加固定约束即可，随后进行网格划分，网格设置与第3章一致，有限元模型划分为大约2万个具有降低积分的C3D8R单元。4.2.2芯棒模态结果分析ABAQUS模态分析的结果在Visualization模块可以显示。4.3超声辅助芯棒挤压的模拟4.3.1有限元仿真过程本次仿真针对芯棒沿轴向的超声振动，振频高，周期短，仿真计算量很大。为提高计算效率，可建立超声辅助芯棒挤压强化的2D有限元模型。同时，我们不用创建完整的换能器模型，只需要创建芯棒与小孔的接触体模型。更进一步地，由于挤压强化过程具备对称性，我们可建立对称的仿真模型，再在边界条件设置中建立对称约束。芯棒和孔构件的尺寸、材料属性参见第3章。同样地，接触方式的定义以及网格划分也与第3章一致，网格单元设定为四边形单元。边界条件设定为：挤压芯棒有-Y至+Y间的振动位移，小孔构件沿+Y方向运动，初始条件的位移、速度、加速度均为0。其中小孔构件的速度（即挤压速度）设置为和，改变速度变量做多组模拟。载荷步长乘以设定的速度即为小孔构件的位移。挤压芯棒的加载需要定义超声振动，根据模态分析的结果，假设换能器的频率（也即芯棒的振动频率）为20110Hz，为简化计算，取振动频率；通常换能器的振幅为几十微米，本次模拟选择振幅。超声振动为简谐振动，其振动表达式为：其中，为芯棒位移，和定义如上。完成加载后，提交Job模块求解。4.3.2仿真结果分析4.4本章小结在本章中，对传统的复合强化工艺进行分析，发现在冷挤压强化过程中存在诸多影响金属构件的问题，诸如孔角易变形、挤压过程力过大、芯棒易断裂等等，因此，我们讨论了超声振动辅助挤压的方法，其体积效应和表面效应能有效地改善这些问题。接着，借助ABAQUS软件对该强化过程进行了有限元模拟分析。首先由于芯棒进行超声振动，为研究其振动特性，进行了芯棒的模态分析，获得了芯棒固有的振动参数。随后，便建立了超声振动辅助芯棒挤压强化的二维有限元模型，完成仿真并与传统挤压强化进行了对比研究。结果表明，超声振动辅助挤压强化相比于传统冷挤压强化而言，能够显著地减小挤压过程中的摩擦力和接触力，且具有传承叠加效应，同时，小孔周围残余应力场分布也更加合理，并且获得了更高的表面质量。5总结与展望5.1全文总结小孔构件在承受循环载荷时易发生应力集中和疲劳失效，这些失效裂纹主要来自材料表面并会向材料内部扩张，导致构件性能损失。因此，运用表面强化处理，产生参与压应力场，来抑制疲劳裂纹增长并保持构件所需性能水平，对于工业尤其航空工业具有重要意义。就结构孔的表面处理，常用的方式有冷挤压强化、激光冲击强化和复合强化等。本文理论研究和模拟研究相结合，以7075-T7451铝合金小孔构件为试样，就这三种工艺的内容、原理进行了深入研究，并运用ABAQUS有限元软件模拟了不同工艺在不同参数下所产生的残余应力场的分布规律，总结了各相关工艺参数对强化工艺效果的影响。最后，还讨论了用超声振动来辅助挤压强化的原理，通过模拟和对比分析，总结了超声振动辅助强化的更高适用性。主要研究工作和成果如下：分析了本课题的研究背景和意义，实际生产要求我们研究各强化技术的基本原理，模拟各强化技术的应用过程并总结出工艺参数影响强化效果的一般规律，以此来指导生产。（2）完成了理论研究。首先对冷挤压强化、激光冲击强化和复合强化的原理做了详细介绍。冷挤压强化以芯棒挤压为典型，又称作冷膨胀技术，孔的膨胀引起塑性变形，在外力撤销后有应力残留；激光冲击强化是由高能量脉冲形成等离子体冲击波作用于材料表面，直接改变内部晶粒结构完成强化；而复合强化为两者的结合。接着，从疲劳裂纹扩张理论出发，明确了应力强度因子的概念，通过推导分析了残余压应力是如何改善材料的疲劳性能的，又以此阐述了挤压强化、激光冲击强化生成残余压应力的宏观和微观机理。（3）完成了有限元模拟研究。首先对有限元分析方法进行简单介绍，接着对芯棒挤压、激光冲击和复合强化过程进行了模拟，改变了挤压量、挤压速度、冲击波峰值压力、冲击次数、复合顺序等工艺参数进行比较分析。结果表明：芯棒挤压强化过程中入口端和出口端的应力分布有较大差异，入口端强化效果不明显，中间部分效果最显著，一般3%-4%的挤压量较为合理；激光冲击横向影响范围较大，但纵向影响范围有限，压力越高、冲击次数越多，其强化效果越明显，具有传承叠加效应，但效果增长的幅度会降低；先激光冲击再开孔再挤压强化的复合强化工艺顺序，强化效果相对更加有效，且合理的强化参数对复合强化效果也有较大影响。但在考虑残余压应力分布的同时，还需要考虑最大应变、变形损失以及生产条件、成本条件等，对各参数做合理的选择。（4）通过分析上述传统复合强化中存在的问题，提出了应用超声振动系统来辅助芯棒挤压的强化方案。完成了芯棒的模态分析，得出其在不同阶的模态参数，选择了适合挤压强化的阶次和参数。通过模拟分析比较了超声辅助挤压与传统芯棒挤压强化的力学特性，结果表明，超声振动使得挤压过程的接触力和摩擦力减小，但这种减小的幅度是下降的，因此芯棒不易断裂、不易磨损，强化后的小孔表面也更加光整；同时，残余应力场的分布相较于传统芯棒挤压也更合理。总的说来，关于小孔构件表面强化的研究一直是航空工业领域关注的重点之一，在其他涉及多孔零件的工业生产中，对此也提出了高要求。本文理论研究和模拟研究相结合，解释了不同强化工艺的机理，模拟了不同参数下的强化效果并分析了影响规律，对于后续的相关研究以及实际生产具有一定的指导和参考意义。