应用一种新的激光弯曲成形工艺,通过施加位移约束,使厚度为0.1 mm的304不锈钢箔加热区产生预期的预应力分布。针对激光弯曲成形的特点,建立三维热力耦合模型,基于塑性皱曲机制(BM),对三种不同预约束应力状态下微尺度激光弯曲成形过程进行数值模拟。通过对比三种不同模型的模拟结果,分析了预约束应力作用下,微尺度激光弯曲成形的成形机制。研究发现,预应力作用下激光弯曲成形是热应力与预应力综合作用的结果,在预应力作用下激光弯曲成形效果显著增加。在塑性皱曲机制下,通过控制预约束作用的方向和大小以及选择合适的激光工艺参数可以得到任意方向的弯曲成形角。弯曲角度随预应力的增大而增大,两者之间呈近似线性关系。

建立了厚度为0.1 mm的不锈钢钢箔激光弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,并采用有限元软件MSC.Marc模拟计算得到了箔材弯曲变形过程中的温度场、变形场与应力应变场。分析了应力、温度、变形三者之间的内在关系,阐述了激光弯曲成形的温度梯度机制(TGM)。建立了微尺度激光弯曲成形的实验装置,验证了有限元模型(FEM)的可靠性,模拟计算结果与实验结果吻合较好。通过实验分析了激光功率、扫描速度以及激光扫描次数等工艺参数对激光弯曲角度的影响规律,并对影响原因进行了初步分析,为进一步对微尺度激光弯曲成形机制及工艺的研究打下了基础。

管材激光弯曲成形是一种柔性金属塑性成形方法,将连续的激光光斑简化为一间歇跳跃的方形面热源,并且考虑材料性能参数与温度的相关性,建立了管材激光弯曲成形的热-机耦合有限元工艺仿真模型.有限元仿真结果表明:同板料的激光弯曲成形一样,对应于加热和冷却阶段,管材的激光弯曲成形也分别经历反向弯曲和正向弯曲两个变形阶段,管材激光弯曲成形的内在机理是典型的温度梯度机理.

板料激光弯曲成形是一种柔性、无模成形新工艺,它通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形。材料的性能参数(包括力学性能与热物理性能)对激光弯曲成形的影响很大,通过三维热机耦合有限元仿真研究了材料性能参数与板料激光弯曲角度之间的相关性,研究表明,小弹性模量、低屈服强度的材料容易产生大的弯曲变形。热膨胀系数与弯曲角度之间成正比关系,当热膨胀系数趋于零时,弯曲角度也趋于零。小的热传导系数有利于形成大的温度梯度,从而使板料产生大的弯曲变形;比热越小,加热区内材料的温升越大,使板料容易弯曲变形。

研究了管材激光弯曲成形有限元工艺仿真的技术处理方法 ,针对仿真中单元的选取与处理、激光光束的简化和热载荷的施加、材料吸收系数的选择、边界条件与初始条件的确定、材料性能参数的处理、仿真中时间步长的选取等 ,提出了具体的处理措施和相关技巧 ,从而保证了管材激光弯曲成形有限元工艺仿真的实施

激光弯曲成形是一种热应力成形塑性加工技术.光斑的能量密度的大小对弯曲角度和材料的组织性能影响很大.增加能量密度,板料的弯曲角度显著增大.对于一种材料,总存在一组特定的工艺参数(光束输出功率、扫描速度、光斑大小等)使板料的弯曲角度最大.而且通过合理控制光斑的能量密度,可以显著改善变形区材料的组织和性能.

提出了一种预约束应力作用下的激光弯曲成形新工艺,研究了不同的加载模型,通过施加预载荷,使板料加热区材料产生期望的预应力分布.针对激光弯曲成形的特点,建立了三维热力耦合模型,采用有限元方法实现了预约束应力作用下的激光弯曲成形工艺过程仿真.分析了在预载荷作用下,板料的激光弯曲成形机理.研究表明,该工艺不仅可大大提高板料的弯曲成形效果,而且只要合理控制预载荷的方向和大小,即可控制激光弯曲成形的变形方向.板料弯曲角度随预载荷的增加而显著增大,两者呈指数关系.

在分析影响激光成形的主要因素的基础上,充分考虑了材料性能参数与温度的相关性,建立了与实际情况相吻合的三维热机耦合模型,同时对激光热源进行了适当处理,通过一用户子程序实现了热载荷的自动加载,从而实现了三维激光成形过程的有限元仿真.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.