激光增材制造(LAM)技术具有可设计性、短流程、高柔性制造等优点,特别适合高性能梯度材料的直接近净成形。然而成形过程中温度梯度作用和材料组分非均匀性,导致成形构件不可避免地存在残余应力,直接影响到构件的成形精度和使用性能。以在航空航天领域具有广阔应用前景的钛合金梯度材料为研究对象,基于ABAQUS有限元软件建立增材制造TC4/TC11功能梯度材料(FGM)温度和残余应力场的热力耦合力学模型。实验结果表明:激光增材制造过程中,沉积区域的残余应力主要表现为拉应力,且沿扫描方向的残余应力较大。不同材料组分交界面处的残余应力分布具有不连续性,靠近TC11含量高的一侧应力要高于另外一侧,残余拉应力随着TC11含量的增加逐渐增大。该研究对于梯度材料增材制造的结构设计和残余应力的调控具有重要意义。

采用不同的扫描策略，通过激光熔化沉积技术制备出TC4钛合金。通过光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子万能材料试验机研究了扫描策略对TC4钛合金组织和性能的影响，利用X射线衍射法对TC4合金XOZ平面残余应力的演变和分布进行分析。结果表明，扫描策略影响了网篮组织的形态，进而影响了TC4合金的力学性能。TC4样品在回旋扫描策略下的拉伸强度和屈服强度最大，分别为1251.7 MPa和1250.0 MPa，而在单向扫描策略下TC4样品的拉伸强度和屈服强度最小，分别为991.5 MPa和1010.9 MPa。残余应力在不同扫描策略下的变化很大，其中，分区回旋扫描所得试样的测试结果分布更均匀。不同扫描策略所得试样的总体应力水平排序依次为分区回旋扫描、往复扫描、回旋扫描、单向扫描。

为了获取T800/QY9511复合材料的工程常数, 利用有限元软件ABAQUS, 通过将激光线源等效为力源, 模拟了脉冲激光作用于材料表面、激发在材料内部传播的超声波的过程, 并在激励点对心处提取波形, 得到了5个体波波速, 进而根据克里斯托菲尔弹性理论计算了工程常数。结果表明, 与真实值相比, 弹性模量数值解的平均误差为1.56%, 泊松比数值解的平均误差为2.98%, 剪切模量数值解的误差为1.4%。激光超声方法在复合材料工程常数测量上具有可行性与准确性, 为实验室测量相关参量及其工程应用提供了依据。

基于等效载荷法, 应用有限元软件Abaqus模拟了脉冲激光激发的超声表面波在预加裂纹的半无限大弹性薄板内的传播, 并探讨了微裂纹的尺寸对超声信号的影响。将脉冲激光激励等效为作用在薄板表面的在时间和空间上均满足高斯分布的脉冲载荷, 并通过引入修正系数建立了激光的物理参数与峰值载荷的定量关系。在实验验证了有限元模型和等效载荷法正确性的基础上, 探讨了裂纹的宽度、深度对反射波和透射波声学特性的影响。结果表明,所建立的等效载荷法能有效地模拟激光超声检测裂纹的实验过程, 对激光超声的数值模拟研究以及在裂纹检测方面的应用具有重要的意义。

材料的力学性能直接影响到构件的安全性和寿命，而材料的弹性常数是其力学性能的重要指标。利用有限元软件Abaqus模拟了激光激发的超声表面波和纵波在金属薄板试样表面及体内的传播过程。采用修正的高斯分布的力源等效激光对样品的脉冲作用来产生超声波，在边界处设置无限单元消除反射回波的干扰信号，并由接收点的超声表面波和纵波信号计算得到波速大小，再根据波速和弹性常数之间的关系得到材料的弹性常数。数值结果与理论解吻合良好，为激光超声检测材料弹性常数提供了一种十分有效的数值方法。