通过改变激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描次数及板料宽度对2 mm厚度的AISI304不锈钢板料进行激光热应力弯曲试验, 分析了各工艺参数对弯曲角度的影响规律, 对工件表面烧蚀情况进行评价, 并对板料金相组织进行观察分析。试验结果表明: 在试验参数范围内激光扫描次数、光斑直径、扫描速度和板料宽度对弯曲角度呈近似线性规律, 而激光功率对弯曲角度的影响不呈线性规律; 较大的面能量密度产生较大的弯曲角度。可通过工艺参数的合理组合在保证板料表面质量的前提下采用较大的面能量密度进行扫描以提高弯曲变形的效率。以上研究为精确控制板料激光弯曲成形奠定基础。

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。

提出一种测定板料塑性应变比的新方法。在对双相机进行离线标定以后，利用双相机动态采集板料在单向拉伸时表面变形过程的数字图像，获取在时间轴上相同步的两套图像序列；对这些图像采用立体视觉技术和数字图像相关方法重建各个变形时刻板料表面三维外形；并根据有限应变理论计算局部最大最小主应变；最后利用均匀塑性变形期间相同变形时刻局部应变近似相等的性质，换算出长度与宽度方向的应变，进而计算出板料的塑性应变比。在GB/T 5027-2007标准规定的实验条件下完成了对深冲铝板6016T4PD，硬铝2A12-T4，2A12-O等的塑性应变比测量。结果显示本文方法快速、准确。

将数字图像相关方法用于物体表面发生大变形时的图像匹配时,经常因变形区域非线性变形和变形过大而遇到问题。借鉴已有的分段测量思想,提出了一种改进的位移测量方法。该方法根据图像间的相关程度将图像序列中的某一阶段图像重新选取为参考图像,然后将先前匹配得到的该图像上的亚像素子区中心圆整成整像素整坐标,从而可以直接利用数字图像灰度分布作为该参考子区的灰度分布进行数字图像相关计算。对像素圆整过程中损失的精度,利用连续介质的变形连续性概念进行精度补偿。另外提出用生长法获取初始匹配点,提高了匹配点对生成效率,并且根据由生长法获取的待匹配点集与由相关计算得到的最优匹配点集之间的比率实现参考图像的自动选取。实验对比和精度分析显示所提方法有效、可靠,匹配精度在0.01 pixel量级。

分析了金属板料激光冲击成形的加工过程,为解决不同实验参数下金属板料变形量难以控制,实验参数难以优化的问题,提出了基于神经网络的控制板料变形量的方法,建立了激光加工参数与板料最大变形量之间的神经网络模型,编写了相应的控制软件,并应用该模型对SUS304,LD31,TA2和Al-Mg 4种不同板料在不同实验条件下进行冲击实验。结果表明,采用该方法可有效地优化冲击实验参数,控制板料变形量。

分析了弹性预加载下激光喷丸成形的机制, 并通过试验研究了板料在弹性预加载下激光喷丸成形的特性。试验用的激光脉冲参数为:波长1.06 μm,脉宽23 ns,光斑直径4 mm, 功率密度109 W/cm2量级;试样的材料为LY12CZ硬铝合金。试验结果表明,在弹性预加载下,板料在弹性预弯方向获得的弯矩要比与弹性预弯垂直方向上的弯矩大得多, 弹性预加载下激光喷丸成形可以有效地克服自由状态下激光喷丸件呈球形现象, 激光喷丸件的曲率是自由状态下激光喷丸成形曲率的2～3倍; 在相同曲率下, 弹性预加载下激光喷丸成形件的表面粗糙度比自由状态下激光喷丸成形件的表面粗糙度要低1～2等级, 因此弹性预加载下激光喷丸成形要优于自由状态下的激光喷丸成形。

为了研究金属板料在脉冲激光辐照下的响应、激光冲击下板料的变形特性、激光脉冲能量对金属板料变形量的影响以及脉冲激光光斑内冲击波压力的分布情况，采用高功率钕玻璃激光系统对LD31板进行了单次冲击变形实验，同时利用有限元软件ABAQUS对板料变形过程进行了模拟。结果表明，激光冲击条件下板料变形时呈现粘塑性性质；激光脉冲能量是影响板料变形量的主要因素，且板料变形大小随脉冲能量的增加呈非线性增大；激光冲击时激光光斑作用区域内冲击波压力并不是均匀分布，而是沿径向减小。

在对激光喷丸成形(LPF)机制分析的基础上, 采用ABAQUS软件对激光喷丸成形过程进行了有限元数值模拟, 分析了激光喷丸后板料的变形和残余应力场的分布情况。结果表明激光喷丸在板料表层的塑性变形层中诱导出压应力, 在塑性变形层以下部位出现拉应力, 这种应力分布形式打破了板料内部原有力系的平衡, 促使板料发生弯曲变形, 从而使板料内部应力重新分布以达到新的平衡, 最终在板料厚度方向形成上下两面为压应力, 而中部为拉应力的新的残余应力场。研究结果对理解激光喷丸成形过程及其本质, 进行激光喷丸工艺参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和进一步的实验研究具有指导意义。

介绍了激光冲击板料变形的机理和冲击波产生的原因,提出了激光冲击板料变形中激光-能量转换体-靶材系统的爆轰波压力估算式.根据此压力估算式和材料的动态屈服强度,对激光冲击板料变形中所需的最小激光能量进行了估算,板料厚度为0.5 mm,约束凹模孔径Ф20 mm,在光斑直径6 mm,脉宽25 ns条件下的不锈钢靶材变形所需的最低脉冲能量大约为11J.实验结果表明估算的最小激光能量与板料变形所需的能量阈值基本一致,且板料变形量随激光能量的增加呈非线性增大.最小激光能量的估算以及能量与板料变形的实验研究为板料变形的精确控制和预测提供了理论依据.

金属板料的激光冲击成形技术是利用高能激光诱导的高幅冲击波的力效应,而非热效应实现金属板料的塑性成形技术。对单次激光冲击下TA2板料的变形过程进行了理论分析,通过对激光冲击波载荷作用下板料变形过程的理论分析,建立了激光冲击板料变形的数学模型,得到了板料变形量与加工系统中各种参数之间的相互关系,为加工过程中各种参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和实现大面积金属板料的激光冲击成形提供了理论依据。利用高功率钕玻璃激光冲击波装置, 从影响板料变形的几个因素出发,选取了三种实验方案,对单次激光冲击下板料的理论变形量进行了实验验证。实验结果表明,依据本数学模型计算得到的理论变形量与实验实测数据较为接近,从而验证了用于计算单次激光冲击下板料变形理论的正确性和预测板料变形的实用性。