为了研究不同应力水平(疲劳试验过程中应力最大值)下, 激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的影响, 对半径为3mm的TC4-DT钛合金圆角试样进行了激光冲击试验, 接着对试样进行拉-拉疲劳试验, 在疲劳试验过程中采用的两种应力水平分别为385MPa和423MPa, 应力比r=0.1, 并通过扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。结果表明, 激光冲击强化后, 疲劳源从圆角表面向内部移动, 且疲劳辉纹宽度减小, 圆角结构疲劳寿命得到提高; 当应力水平从385MPa增大至423MPa时, 圆角疲劳寿命增益由246.2%减小至111.8%;激光冲击强化后, 圆角结构表面形成一定深度的参与压应力, 疲劳性能得到提高; 但随着应力水平增大, 激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的增益减小。该结果为针对薄弱区域强化而抑制疲劳裂纹萌生的研究具有指导意义。

为了研究单双面激光冲击对7050-T7451铝合金小孔件的影响, 采用ABAQUS有限元软件分析了单双面强化的残余应力分布, 并对比分析了残余应力曲线和单双面强化断口间的对应关系。结果表明, 双面强化的残余压应力比单面强化大120MPa, 且正反面应力分布更合理; 单面强化后疲劳源群位置距强化面达2.54mm, 偏离了尺寸中心, 而双面强化的疲劳源群大致位于尺寸中心; 经单双面激光冲击强化后, 试样的疲劳增益分别提高了53.3%和156.2%。该研究对单双面激光冲击强化的参量选择具有一定的指导意义。

小孔构件是典型的应力集中细节, 其易在疲劳载荷下产生裂纹, 影响关键结构的使用性能和服役寿命。为了研究双面冲击次序对小孔件强化效果的影响, 对双面激光同时冲击强化(双面对冲)和依次冲击强化的TC4-DT小孔构件进行了疲劳拉伸试验, 并利用ABAQUS有限元软件, 对两种冲击次序强化后的残余应力分布进行了仿真。结果表明, 双面对冲的试样疲劳增益是双面激光依次冲击强化后的2倍以上; 双面对冲后小孔件的应力分布更均匀, 其疲劳源明显偏离厚度中点处, 而双面激光依次冲击时, 两激光冲击表面的残余应力差较大。仿真结果与试验有较好的一致性。

为了研究不同激光喷丸范围下7050-T7451铝合金小孔构件残余应力场的变化规律, 采用ABAQUS有限元分析软件对激光喷丸过程进行理论分析和数值仿真, 分析了材料激光喷丸后表面及孔壁的残余应力分布。结果表明, 随着喷丸范围的增大, 表面残余压应力范围增大, 冲击区域外围的残余拉应力由52MPa变为344MPa; 孔壁的应力分布随喷丸范围的增加而变差, 中间最差应力由压应力38MPa变为拉应力49MPa; 在一定的喷丸范围内, 激光喷丸范围的增加使表面压应力范围变大而使孔壁应力分布变差。对于激光喷丸强化小孔构件, 应控制喷丸范围, 兼顾板料表面及小孔孔壁的残余应力分布, 以提高小孔构件的抗疲劳性能。

为了探索环形激光诱导冲击波的传播规律及其对层裂的影响, 采用ABAQUS软件对环形激光光束冲击成形的过程进行了理论分析和模拟仿真。通过定义节点路径的方法, 得到了环形激光光束诱导冲击波在板料中厚度方向的传播规律, 指出了在一定条件下厚度方向应力波拉应力最大值的出现时间和位置, 从应力波的角度探索了环形激光光束冲击成形下薄板层裂的规律。结果表明, 其层裂易发生位置位于激光冲击区域内, 而非像实心激光一样在板料中心。这一结果为激光冲击成形的研究提供了一条新的思路。

为了研究中空激光参量对金属板料变形的影响, 采用数值仿真的方法, 选用不同的中空激光参量对3003铝合金板料进行了冲击成形数值模拟, 分析了板料变形的动态响应过程以及成形规律。结果表明, 中空激光加载后, 板料获得初速度, 光斑区域的速度逐渐减少, 区域外的速度逐渐增加, 带动整个板材的运动; 与实心激光冲击板料变形比较, 板料底部变形区较为平坦, 变形比较均匀, 提高了板料的成形性和成形极限。该研究通过选择不同的中空激光参量获得板料的成形规律, 为中空激光冲击成形技术提供了依据。

利用高功率钕玻璃激光器对7050铝合金表面进行了冲击处理，保持泵浦功率不变，用压电传感器和示波器测试了激光冲击产生的压力波形，用X射线应力测量仪测量了激光冲击后铝合金表面的残余应力，并用非接触式光学轮廓仪分析了激光冲击后铝合金的表面形貌，研究了放大自发辐射强度对激光冲击处理7050铝合金冲击压力、残余应力和粗糙度影响的微观机理。研究结果表明:在泵浦功率不变前提下，放大自发辐射强度的增大降低了激光冲击波压力，铝合金表面残余压应力也随之降低，同时铝合金表面粗糙度增大。

为了研究激光冲击成形后残余应力对板料性能的影响，采用高功率Nd∶glass激光器对金属薄板激光冲击成形，使用X射线衍射法对激光冲击成形后的金属薄板的表面残余应力分布分析研究。薄板成形后的凹面分布存在较大的残余压应力，而凸面边缘存在较小的残余拉应力；残余应力随着激光能量的增加而增加，但当到达一定值时，凹面残余压应力达到最大值；在冲击凹面中心点处的残余应力值最大，周围处的残余应力以中心点为圆心向外呈非线性递减。在不同的凹模孔径下采用8mm光斑、30J激光能量单次冲击，发现存在一个凹模孔径阈值，小于阈值时，残余应力随着孔径的增大而增大；大于阈值时，随着孔径的增大而减小，阈值大小大约为20mm。结果表明，该研究对进一步研究残余应力的控制有重要作用，且对材料的抗疲劳性能、抗应力腐蚀、表面性能研究有很重要的理论和工程价值。

激光冲击后在其金属表面形成一定形式的残余压应力,可对材料表面进行改性处理。采用ABAQUS有限元软件,研究激光功率密度、光斑形状对板料表层残余应力场分布的影响,探索残余应力场机制。结果表明,提高激光功率密度可以增加板料表层残余应力场,但随功率密度增大会产生“残余应力洞”现象;激光冲击后材料位移和表面应力动态响应分析表明,材料表面受冲击与材料弹性力作用产生振荡过程,冲击光斑边缘产生反射波(稀疏波)的反向加载,引起反向塑性变形,形成“残余应力洞”现象;光斑形状影响稀疏波向中心汇聚,造成中心残余压应力不同的缺失。该研究为工艺参数优化,减少冲击中心残余应力缺乏,获得更好的激光冲击处理强化效果提供依据。

利用有限元分析软件ABAQUS对恒弹性合金3J53超薄板激光冲击半模成形过程进行了数值模拟。探讨了不同激光脉冲能量对板料运动速度和成形精度的影响,以及相同能量下板料不同区域的运动速度规律。数值模拟表明,当激光脉冲能量较小时,板料不能与凹模碰撞,中心区域节点上下往复振动,振幅逐渐减小,最后处于静止状态;当激光脉冲能量较大时,板料中心与凹模底部发生剧烈碰撞,碰撞后产生反向运动,速度逐渐减小,在零值附近缓慢波动一段时间,最终衰减到零。通过调整激光脉冲能量能够得到理想的波形零件。研究结果表明,利用有限元分析软件ABAQUS能够预测板料在激光冲击成形中的速度变化规律,为深入研究激光冲击成形过程提供依据。