吕波[1]2004年在《金属板材激光弯曲成形的数值模拟及实验研究》文中研究表明金属板材激光弯曲成形是一种新型的、具有高度柔性的板材加工方法。它是用激光照射金属板材产生的内应力使板材发生弯曲变形，无需模具和外力。特别适用于形状简单的单件、小批量工件的弯曲成形，在船舶、汽车、航空航天和微电子等领域具有广阔的应用前景。 本文对用有限元分析软件MSC.Marc建立的船用中厚钢板激光弯曲成形叁维热力耦合有限元模型进行了优化。利用温度位移数据采集系统对板材激光弯曲成形实验中温度和弯曲变形量的变化进行实时测量，模拟结果与实验结果吻合较好，从而验证模型的准确性。使用优化方法建立中厚船用钢板激光多次扫描弯曲成形的有限元模型，模拟计算了成形过程温度、弯曲变形及应力分布，总结了板材多次扫描弯曲成形中的一些规律，分析了这些规律产生的内部原因。 对尺寸更大的船用钢板激光弯曲成形进行了实验研究，分析和讨论了大尺寸板材激光弯曲成形数值模拟的难点和主要应解决的问题，初步建立了成形过程的叁维热力耦合有限元模型，计算了温度场、变形场和应力场的分布，分析了成形过程影响计算精度的因素。用残余应力场解释了不同厚度钢板多次扫描弯曲成形规律不一致的原因。 本文还对厚度为2mm的OT4钛合金薄板激光弯曲成形进行了实验研究，总结了激光参数对薄板弯曲角度的影响规律。
裴培[2]2008年在《船用中厚板激光弯曲成形过程数值模拟及实验研究》文中认为板材激光弯曲成形技术是一种利用高能激光束扫描板材,在板材内部产生不均匀的热应力使板材成形的新型工艺。与传统的成形方法相比,该工艺具有不需外力和模具、生产柔性大、加工成本低、成形精度高并能进行硬脆材料变形等优点,在航空航天、船舶、汽车和微电子等领域具有广阔的应用前景。本文使用有限元分析软件ANSYS对船用中厚板激光弯曲成形过程进行数值模拟。建立了叁维热应力耦合模型,分析了成形过程的温度场、形变场及应力场变化规律,发现板材在激光弯曲成形过程发生明显的绕X轴方向的弯曲,同时沿X轴方向和Y轴方向增长等一系列现象。为验证数值模拟结果,对船用中厚钢板激光弯曲成形过程进行了实验研究,采用激光位移传感器测量了板材弯曲高度,采用热电偶测量了激光扫描过程中板材节点温度实时变化情况,发现实验实测的结果与模拟计算结果相吻合,从而验证了数值模型的准确性。为进一步研究激光加工工艺参数与板材弯曲角度的关系,分别采用不同扫描速度、不同激光功率、不同光斑大小及不同扫描次数进行船用中厚板激光弯曲成形实验研究。发现在一定范围内板材激光弯曲角度随扫描速度的减小、激光功率的增大、光斑直径的减小、扫描次数的增多而增大的规律。
张立文[3]2004年在《数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用》文中研究指明随着计算机科学、有限元及有限差分方法的发展,可以建立适当的理论模型,描述材料固态加工及热处理的物理过程。然后,采用有限元及有限差分法对这些物理过程的温度场、应力场、应变场、微观组织场等进行精确的定量数值模拟计算。只要通过少量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性,就可以利用计算机对大量的实际材料固态加工及热处理过程进行准确的数值模拟。这样就实现了基于计算机数值模拟的虚拟材料固态加工及热处理过程。通过大量的计算机数值模拟计算,可以建立材料固态加工及热处理工艺参数与材料固态加工及热处理后性能的定量关系。这些数值模拟计算结果可以用于优化材料固态加工及热处理工艺参数。论文主要包括以下内容: 建立了船用钢板激光弯曲成形过程的热弹塑性力学模型。对船用钢板激光弯曲成形过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。研究了板材厚度、板材宽度、激光功率和激光扫描速度对激光弯曲成形最终弯曲角度的影响。进行了钢板激光弯曲成形实验,实测了钢板的温度及弯曲角度。钢板的温度和弯曲角度的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了发动机油底壳冲压成形过程的弹塑性力学模型。对发动机油底壳在冲压成形过程的应力、应变及厚度分布进行了数值模拟。实测了发动机油底壳冲压成形后的厚度分布。厚度分布的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的热弹塑性力学模型。对GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。对GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度及轴向缩短量进行了计算机实时测量。温度及轴向缩短量的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了特殊钢棒线材热连轧过程的热弹塑性力学模型。对304不锈钢棒线材18道次热连轧过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。实测了304不锈钢棒线材18道次热连轧过程各道次的表面温度。表面温度的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了激光相变硬化过程的热弹塑性力学模型。对激光相变硬化过程的温度场、应力场和激光相变硬化区的宽度及深度进行了数值模拟。实测了激光相变硬化区的宽度和深度及残余应力分布。激光相变硬化区的宽度和深度及残余应力分布的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的传热学、相变模型。对35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度场、组织场进行了数值模拟。实测了35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度和淬火后的组织场。温度和淬火后组织场的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了真空热处理过程的传热学模型。对GH4169高温合金零件真空热处理过程的温度场进行了数值模拟。预测了GH4169高温合金零件在真空炉中加热过程的滞后时间。实测了GH4169高温合金零件真空热处理过程温度随时间的变化。温度随时间变化的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。
裴继斌[4]2008年在《船用钢板激光弯曲成形机理及成形规律的研究》文中提出目前造船业中普遍采用的船体曲面钢板成形的典型工艺是水火弯板,国外也称作线加热。在水火弯板工艺中,要实现对火焰的精确控制是非常困难的,造船厂都是依靠经验丰富的工人采用手工作业完成。激光弯曲成形是一种金属板材柔性成形新技术,这一成形方法以高能激光束作为热源,利用激光束扫描金属表面进行局部加热形成的不均匀热应力来实现板材的塑性成形。激光能量密度高,可控性好,有利于实现钢板成形工艺的自动化,在造船领域具有很大的应用潜力。近年来,有限元模拟成为研究板材激光弯曲成形的主要方法。通过对成形过程的数值模拟研究,能够全面准确的了解成形过程,从而可深入的分析成形机理和成形规律。船体的外板通常用厚度为8～20mm的钢板采用水火弯板技术加工而成,虽然有学者进行了船用钢板的激光弯曲成形实验,但没有对船用钢板的激光弯曲成形机理及成形规律等进行深入的研究。本文采用数值模拟和实验验证相结合的方法,利用有限元软件MSC.Marc对船用钢板激光弯曲成形过程进行数值模拟研究,深入分析了船用钢板激光弯曲成形机理和不同参数条件下的成形规律,并建立了预测激光弯曲成形角度的人工神经网络系统,为激光弯曲成形技术在造船领域的应用提供理论基础。主要研究内容和结论如下:(1)建立了船用钢板激光弯曲成形叁维热力耦合有限元模型,模型中考虑了材料热物性和力学性能随温度的变化。模拟计算了成形过程中温度和弯曲角度的变化,对成形过程中的温度和弯曲角度进行了实时测量,模拟结果与实验结果符合较好,验证了模型的适用性。(2)研究了一定工艺参数条件下的船用钢板激光弯曲成形机理。通过对船用钢板激光弯曲成形过程的温度场、应力应变场和变形场的分析,可知成形过程具有温度梯度机理的特征。由应变场的分布特点,发现成形过程也具有增厚机理的特征,由此可知船用钢板激光弯曲成形机理是温度梯度机理和增厚机理共同作用的耦合机理。在激光弯曲成形过程中,温度和应力应变变化最剧烈的区域在上表面沿激光扫描路径区域。成形过程中所产生的翘曲变形、加热线弯曲及加热区域增厚等变形对成形精度的影响很小。(3)对不同的激光工艺参数、钢板几何参数和激光扫描路径条件下的船用钢板激光弯曲成形规律进行研究。激光工艺参数的影响可用能量密度以及吸收能量所用的时间来分析。在限定的温度条件下,弯曲角度随激光功率的增大而增大,随扫描速度和激光光斑的增大而减小。钢板的几何参数中对弯曲成形影响最大的是钢板厚度,弯曲角度随厚度的增大而减小。激光束沿相同扫描路径重复扫描的成形规律与激光工艺参数有关,沿不同扫描路径的弯曲角度受扫描路径间距影响很小。(4)基于经过实验验证的数值模拟结果,针对船用钢板激光弯曲成形过程的激光工艺参数和钢板厚度,运用改进的BP算法,建立了预测钢板激光弯曲成形角度的人工神经网络模型。采用训练后的模型进行激光弯曲成形角度和峰值温度的预测,得到了比较准确的预测结果。
陈毅彬[5]2008年在《金属板料激光复合成形的有限元模拟及实验研究》文中研究指明本文提出了基于激光热应力复合激光冲击波技术的金属板料塑性成形新方法-激光复合成形技术,它利用连续激光的热效应以及高能脉冲激光的冲击波力效应来实现金属板材复杂形面的成形,成形件具有较好的机械性能和表面质量。本文详细分析了激光复合成形的基本过程和成形原理,并着重对激光复合成形过程进行了有限元模拟分析和实验研究,主要工作有以下几点:探讨了激光复合成形过程中的热力耦合理论,给出了热力解耦方程组,研究了金属板材在高幅冲击波加载下的力学响应以及冲击波诱导残余应力的机理,分析了金属板材在激光复合成形中的弯曲变形过程。研究了激光复合成形过程的有限元模拟方法,建立了激光复合成形的有限元分析模型,讨论并处理了有限元模拟过程中的关键技术。基于ABAQUS有限元分析平台,设计了有限元模拟的实施流程。利用Minitab软件的正交模拟试验设计方法,进行了激光复合成形工艺参数优化。采用完全热力耦合分析技术以及显隐结合分析技术,对V形和一些典型复杂型面的板件激光复合成形过程进行了有限元模拟。在有限元模拟分析的基础上,进行了激光复合成形V形板件的实验。通过对激光复合成形后金属板材的变形量和表面质量的测试,着重研究了成形件的弯曲变形、成形精度以及表面质量的变化。并采用激光复合成形工艺对具有典型复杂曲面的工件进行了实验研究。结果表明,激光复合成形能快速高效地实现复杂曲面的精确成形,成形件表层的残余应力分布和表面质量都得到了较好的控制。实验结果与模拟结果具有较好的一致性,表明本文建立的有限元方法可以用来分析模拟金属板料的激光复合成形过程,对金属板料激光复合成形工艺的进一步深入研究具有积极的指导作用。
韩利杰[6]2010年在《金属板材激光弯曲成形规律及影响因素的研究》文中研究指明板材激光弯曲是一种利用高能激光束扫描金属板材表面时形成的非均匀温度场引起的热应力来实现塑性成形的工艺方法。与传统的成形方法相比,该工艺具有不需要模具和外力、生产柔性大、加工成本低、成形精度高等优点。作为一种新的塑性成形方法,激光弯曲工艺受到了国内外众多学者的广泛关注。本文在综合分析了材料热物理性能和力学性能的基础上,建立了板料激光弯曲成形的叁维热力耦合模型。利用有限元分析软件ABAQUS对ST14钢板进行了激光弯曲扫描的数值模拟。主要内容体现在:(1)对金属板材激光弯曲成形进行了有限元模拟,采用高斯分布动态热源,并用子程序控制热源的扫描轨迹,从而得到成形过程中的温度场、位移场和应力应变场的模拟结果。(2)在模拟中,采用壳单元与生死单元相结合的方法,从而减小计算量,缩短计算时间,最终利用壳单元与生死单元对板材进行了多道次弯曲成形模拟。(3)通过数值模拟,系统研究了冷却方式、冷却时机、扫描轨迹、扫描步距、扫描次数对最终弯曲结果的影响规律。(4)应用白金汉Π定理和数值模拟结果回归出板材弯曲形状与各种工艺参数、材料性能参数以及扫描次数之间的关系方程,并通过大型板材的激光弯曲模拟结果来验证该方程的准确性。
许卫星[7]2007年在《硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验》文中进行了进一步梳理单晶硅作为主要的半导体材料，不但具有良好的电子特性，而且具有很好的机械性能，被广泛应用于各种领域。在MEMS中叁维硅微结构元件主要通过刻蚀实现，因此都保留在原基体内部，但如果利用硅的塑性在高温下直接成形，则可将元件成形到基体外部，扩大其使用范围。激光弯曲成形是利用高能激光束以特定路径扫描工件表面，借助非均匀温度场产生的热应力实现塑性成形。它是一种高效、洁净无模无外力的成形工艺，具有生产周期短、柔性大、精度高等特点。硅片激光弯曲成形，不但是硅片弯曲成形的新方法，而且是激光弯曲成形在脆性材料方面的新应用。本文针对硅片脉冲激光弯曲成形的工艺特点，分析和描述了光脉冲动态热源的时空特性，借助有限元分析软件ANSYS，针对脆性材料硅，利用APDL语言处理了热源加载、计算收敛等问题，并对单元的网格划分进行了优化，建立了硅片脉冲激光弯曲成形的数值仿真模型。在数值模型的基础上，模拟了弯曲过程中的温度场与应力应变。分析结果表明：脉冲激光扫描过程中，硅片上每点的温度都会随着光脉冲的作用周期性变化，而且越靠近光斑中心，变化的幅度越大；对于脆性材料硅片，激光作用的每一个光脉冲都将引起自由端的上下振动，只有当扫描区的温度超过塑性点，作用结果才能引起硅片的塑性变形，否则仅属于弹性振动。而对温度分布特点的研究发现，硅片的脉冲激光弯曲成形机理不是简单意义上的温度梯度或屈曲机理，而是二者共同作用的结果。针对弯曲过程中的单脉冲能量、光斑半径、扫描速度、脉冲频率，论文分别进行了单因素温度场模拟，并利用MATLAB拟合工具箱对温度曲线进行了拟合，推导出了对应的温度关系，用于更好的指导试验。针对模拟结果，本文进行了验证性试验。首先，依据光脉冲作用特点，试验选择并制作了NiCr／NiSi薄膜热电偶，并通过改变光斑中心位置的方式，测得了脉冲激光作用过程中，不同点不同时刻的温度值，对温度场模型进行了修正。接着，通过试验实现了硅片的脉冲激光弯曲成形，并得到了弯曲质量较优的试验参数。试验结果表明，数值模拟结果与试验结果达到了较好的统一。本文的工作，建立了光脉冲的动态热源模型，解决了脉冲激光弯曲模拟中光源加载与计算难收敛问题，实现了脉冲激光弯曲成形脆性材料硅片的数值模拟与弯曲试验，并成功测得了光脉冲作用过程中不同时刻的温度值，达到了模拟与试验的较好统一。
苏智超[8]2016年在《铝合金板材激光弯曲的精度控制与有限元分析》文中研究表明激光弯曲成形是一种新的板材成形工艺方法,一直以来都是国内外研究的热点,在汽车、船舶、航空及精密仪器等领域具有巨大的发展前景。本文采用真实实验和有限元仿真相结合对铝合金板材进行激光弯曲研究,并在此基础上引入BP神经网络对激光弯曲工艺参数进行预测和优化,主要完成工作如下:(1)模拟真实实验条件,对铝合金薄板和激光光源进行有限元建模,完成铝合金激光弯曲成形仿真分析,获得成形过程中的温度场、应力场和位移场的变化情况。分析并发现板材边缘存在温度梯度的端点效应,导致了自由端弯曲成形的不均匀性。(2)基于有限元分析结果,采用光纤激光加工中心进行激光弯曲加工基础性实验,从激光功率、扫描速度、扫描次数和扫描方式等主要工艺参数进行研究,修正有限元分析结果;分析各参数对铝合金薄板弯曲角度的影响;得到激光加工参数对薄板弯曲角度的影响规律,即弯曲角度随激光功率增大而先增大后减小;扫描速度影响较弱,角度随扫描速度增加而减小;扫描次数影响明显,但达到一定角度后,不会再增大;间歇式扫描比连续式扫描影响明显。(3)基于真实实验数据,利用BP神经网络构建弯曲角度、激光功率、扫描速度和扫描次数的非线性模型,预测了某些弯曲角度下的激光工艺参数,并通过实验加工验证误差在9%之内,对薄板弯曲成形具有一定指导意义。本文的研究对铝合金板材激光弯曲成形的技术应用具有一定的现实意义。
陈华[9]2007年在《镁合金板激光弯曲成形试验与模拟》文中认为镁合金以其重量轻、强度高、稳定性好、利于环保、可回收使用等特点，日益成为现代工业产品的理想材料。尤其在汽车、航空和电子工业中，作为轻型结构和功能材料，应用不断增加。但由于镁合金的密排六方(HCP)结构，室温塑性差，难以通过冷态下的板料成形工艺生产。近年来，研究人员发现，变形镁合金在加热条件下的塑性明显改善，并且已有少数文献对镁合金热态下的微观行为进行了研究，但有关变形镁合金板材激光弯曲成形的研究却很少。激光弯曲成形是一种利用热应力来实现板材成形的技术，激光弯曲成形不需模具和外力，且激光束能量集中具有良好的可控性，将激光成形技术用于镁合金板材成形，可以充分发挥该技术的独特优势。本文在国内外激光弯曲成形的基础上，对AZ31镁合金板材进行了激光弯曲成形的试验研究，得到了激光工艺参数、板材几何尺寸、扫描路径等对弯曲角度的影响。为了进一步揭示板材弯曲成形的变形规律，采用叁维热弹塑性有限元对镁合金板材进行了数值模拟，揭示了激光弯曲过程中的温度场、应力应变场、位移场随时间的变化规律，更好的解释了一些试验结果。主要完成了以下工作：(1)建立了板材激光弯曲成形的几何模型，分析了在加热和冷却过程中上下表面的塑性变形情况及板材变形情况；通过上下表面的弹塑性变形及一维热传导方程得到弯曲角度的解析式，并和试验结果进行了比较。(2)板材脉冲激光弯曲的试验研究。分析了不同的激光工艺参数(激光功率、扫描速度和光斑直径)，板材几何参数(板材宽度和厚度)对弯曲角度的影响。(3)板材激光弯曲成形过程的有限元模型的建立。建立了板材激光弯曲成形的温度场和位移场的叁维有限元模型，得到了板材脉冲激光弯曲的温度场、应力应变场、位移随时间的变化规律，对板材激光弯曲过程进行了分析。(4)板材激光反向弯曲的研究。基于有限元分析，对两种变形形式下的加热区域进行了全面的对比研究。为了实现板材的反向弯曲，对镁合金板材进行了大量的试验，并得到了判断镁合金板材弯曲方向的经验公式，为镁合金激光弯曲加工参数的选取提供了理论基础。本文的工作为板材激光弯曲成形的实际应用提供了理论和试验依据，论文提出了激光工艺参数的选择方法并且给出了不同变形形式下的激光工艺参数，利用有限元模拟了激光正向弯曲的过程，对镁合金板激光弯曲成形的实际应用具有一定的指导意义。
张国栋[10]2018年在《多层复合金属薄板激光弯曲成形的研究》文中指出多层复合金属板是一种新型的复合材料,因其诸多优势得到广泛应用。激光弯曲成形技术属于一种能量积累的柔性成形技术,其过程无需模具、无需接触、无需外力,非常适合小批量、多样化的产品成形。本文以铜镍复合薄板为研究对象,对多层复合金属薄板的激光弯曲成形进行研究,主要的研究内容及进展如下:(1)采用脉冲激光器对影响激光弯曲成形的主要因素进行了单因素实验研究,发现激光脉冲频率、脉冲宽度、峰值电压、扫描速度对弯曲角度的影响存在一个极大值,光斑直径和扫描路径(扫描直线距自由端的距离)对弯曲角度的影响同时存在极小极大值,而扫描次数对弯曲角度的影响则是递增且增量在减少。(2)通过对多层复合金属薄板在激光作用后弯折区的金相组织、界面特性、硬度研究,可以发现铜镍复合薄板的界面近似一条直线,靠近界面处出现了约2μm的中间层,经过激光多次扫描后晶粒出现了细化现象,同时靠近弯折区的组织出现了材料堆积现象。镍到铜的线扫描中出现了两种元素的相互扩散现象,并且激光作用加强了多层复合金属薄板的冶金结合。通过对铜镍复合薄板弯折区显微硬度的测试发现了弯折区的组织出现了加工硬化,越靠近弯曲方向显微硬度越大。(3)基于参数实验设计对影响铜-镍复合薄板激光弯曲成形的工艺参数进行筛选,筛选出对激光弯曲过程中的弯曲角度影响较大的5个工艺参数,分别为扫描速度、扫描次数、峰值电压、扫描路径(扫描直线距自由端距离)与光斑直径;采用中心复合实验设计进行实验规划,利用响应面建立了峰值电压、扫描速度、扫描次数、扫描路径、光斑直径与弯曲角度之间的数学模型,揭示了各工艺参数交互式影响规律。从实验中得出当峰值电压、扫描次数增加时,弯曲角度都逐渐增加;当扫描速度增加时,弯曲角度先平缓增加然后逐渐减小;随着光斑直径、扫描路径(扫描直线距自由端的距离)的增加,弯曲角度都是先减少后增加;扫描速度和扫描次数对弯曲角度的交互式影响最大。最后通过满意度函数对工艺参数进行了优化,获得了理想的参数组合。(4)以有限元分析软件为平台建立了铜镍复合薄板的叁维热-结构模型,对多层复合金属薄板激光弯曲成形过程中的温度场、应力应变场与位移场进行了数值模拟,得到了温度场、应力应变场与位移场的分布规律,发现温度与应力应变的变化是一个周期震荡的过程,自由端的位移与时间成一个线性关系;通过实验变形角度的数据与模拟变形角度的数据的对比验证了有限元模型的可靠性。
参考文献：
[1]. 金属板材激光弯曲成形的数值模拟及实验研究[D]. 吕波. 大连理工大学. 2004
[2]. 船用中厚板激光弯曲成形过程数值模拟及实验研究[D]. 裴培. 上海交通大学. 2008
[3]. 数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用[D]. 张立文. 大连理工大学. 2004
[4]. 船用钢板激光弯曲成形机理及成形规律的研究[D]. 裴继斌. 大连理工大学. 2008
[5]. 金属板料激光复合成形的有限元模拟及实验研究[D]. 陈毅彬. 江苏大学. 2008
[6]. 金属板材激光弯曲成形规律及影响因素的研究[D]. 韩利杰. 燕山大学. 2010
[7]. 硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验[D]. 许卫星. 大连理工大学. 2007
[8]. 铝合金板材激光弯曲的精度控制与有限元分析[D]. 苏智超. 辽宁工业大学. 2016
[9]. 镁合金板激光弯曲成形试验与模拟[D]. 陈华. 大连理工大学. 2007
[10]. 多层复合金属薄板激光弯曲成形的研究[D]. 张国栋. 江苏大学. 2018
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