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超薄板材激光微冲击成形的变形与破坏研究

刘晶

   当强脉冲激光在极短时间内辐照涂在板材表面的吸收层上时,便产生了高压等离子体。激光微冲击成形就是利用脉冲激光产生的高压等离子体的冲击力效应,使超薄板材产生塑性变形的新技术。该技术在制造微机电系统零件方面有巨大的潜力。为了了解板材的成形极限,更精确的掌握激光微成形技术,本文对板材破坏及成形过程中的变形场进行了系统研究。 系统的研究了板材的破坏模式、破坏机理及各种参数对板材破坏模式的影响。采用基于晶粒晶界的约束节点失效的动态显式有限元的方法,模拟了激光微冲击成形过程中裂纹的萌生与扩展。在该方法中,具有同一空间位置的四个节点分属于四个单元,这四个节点通过失效应变结合在一起,而在通常的有限元方法中这四个节点被合并为一个节点。当板材发生失效时,这四个节点将彼此分离。通过有限元分析,结合实验观察,在激光微冲击成形过程中发现了三种破坏模式,分别为:发生在成形圆顶顶端的贯穿式层裂破坏(模式Ⅰ)、发生在凹模入口处的拉伸撕裂破坏(模式Ⅱ)和发生在激光光斑边缘的剪切破坏(模式Ⅲ)。分析了板材参数、激光参数以及模具参数对破坏模式的影响,得出了一些有价值的结论:(1)随着冲击波压力的增加,破坏发生的位置由成形圆顶顶端变为凹模入口处,再变为激光光斑的边缘;(2)随着冲击波持续时间的增大,板材的破坏模式由发生在成形圆顶顶端的贯穿式层裂破坏,发展为发生在凹模入口处的拉伸撕裂破坏,最后为发生在激光光斑边缘的剪切破坏;(3)随着成形材料破坏强度的增加,破坏模式由模式Ⅲ变化到模式Ⅱ,再到模式Ⅰ;(4)随着凹模直径的增加,破坏由激光光斑边缘的剪切破坏变为凹模入口处的拉伸撕裂,再到成形圆顶的顶端贯穿式层裂破坏。 初步分析了单脉冲激光冲击圆板的动态塑性响应,得到了小变形情况下板材的最终成形轮廓及最大变形高度。当超强激光辐照到材料表面上时,材料发生动态响应,由于板材边界条件和载荷施加条件的复杂性,所以在分析激光微冲击过程中对板材进行了一些简化:边界条件看做是简支的;冲击波压力的空间加载曲线简化成三角形.矩形、矩形两种情况;冲击波压力的时间加载曲线简化为三角形。板材假设为刚塑性材料,采用Tresca屈服准则和相关的流动法则来求解小变形情况下单脉冲激光冲击圆板的解析解。并推导出该公式的适用范围。……   
[关键词]:激光微冲击成形;动态破坏;破坏模式;变形场;解析解
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:山东大学2010年
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