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激光微冲击成形(μLPF)是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应使超薄板材产生塑性变形的新技术。通过自主开发的有限元网格划分程序MicroMesh,实现了规则晶粒、晶界以及不规则晶粒、晶界的网格划分,并利用动态显式有限元方法(FEM),对超薄板材脉冲激光微冲击成形过程进行了晶粒级的数值模拟。较之一般的连续介质有限元方法,考虑晶粒和晶界的有限元法能够更好地反映板材的微观组织与性能。研究结果表明,该方法可以有效地模拟激光微冲击成形中板材的变形过程。
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书书书
第
37
卷
第
1
期
中
国
激
光
Vol.37
,
No.1
2010
年
1
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Januar
y
,
2010
文章编号:
02587025
(
2010
)
01029105
基于晶粒晶界有限元的激光微冲击成形数值分析
刘
晶
刘
韧
季
忠
张明浩
(山东大学材料科学与工程学院,山东 济南
250061
)
摘要
激光微冲击成形(
μ
LPF
)是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰 波 的冲 击 力效 应 使超 薄 板材 产 生塑 性 变形 的
新技术。通过自主开发的有限元网格划分程序
MicroMesh
,实现了规则晶粒、晶 界 以及 不 规则 晶 粒、晶 界 的网 格 划
分,并利用动态显式有限元方法(
FEM
),对超薄板材脉冲 激 光微 冲 击成 形 过 程 进 行 了 晶 粒 级 的 数 值 模 拟。较 之 一
般的连续介质有限元方法,考虑晶粒和晶界的有限 元 法 能 够 更 好 地 反 映 板 材 的 微 观 组 织 与 性 能。研 究 结 果 表 明,
该方法可以有效地模拟激光微冲击成形中板材的变形过程。
关键词
激光技术;激光微冲击成形;晶粒;晶界;有限元法
中图分类号
TN249
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
CJL20103701.0291
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收稿日期:
20081229
;收到修改稿日期:
20090415
基金项目:国家自然科学基金(
50775131
)、山东省自然科学基金(
Y2007F55
)和教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。
作者简介:刘
晶(
1984
—),女,硕士研究生,主要从事激光微成形方面的研究。
Email
:
l
j
0431
@
sina.com
导师简介:季
忠(
1966
—),男,博士后,教授,博士生导师,主要从事金属塑性成形方面的研究。
Email
:
j
izhon
g
@
sdu.edu.cn
(通信联系人)
1
引
言
微成形 与 传 统 宏 观 成 形 的 显 著 区 别 是 尺 度 效
应,突出表现在晶粒 尺 寸对微 成 形过程 的 影响非 常
明显。但是,经典塑 性 理论的 本 构关系 不 包含任 何
特征长度,因此,以经典连续介质力学为基础的有限
元软件在分析微成形问题时具有很大的局限性。另
一方面,与原子或分子的大小相比,微成形中工件的
尺寸又过于庞大
,因而,也难以将基于离散介质的分
子动力学理论应用到微成形工艺分析中。为此,
Y.
Huan
g
等
[
1
]
将材 料 的 应 变 梯 度 和 内 禀 尺 寸 引 入 本
构关系中,提出所谓的
MSG
理论,但这个尺寸值却
很难确定;德国学者
Gei
g
er
等
[
2
,
3
]
提出了一种“表面
层模型”,认为变形体表面与变形体内部的材料性能
具有差异性,然后根 据 材料内 的 晶粒所 在 位置及 尺
寸进行性能计算,但在该方法中,表面层深度的确定
方法并没有严格的 理 论基础,但 该方法 的 确从晶 粒
尺度对微塑性成形 过 程进行 了 数值模 拟;韩国 学 者
Ku
等
[
4
,
5
]
在研 究 微 轧 制 时 引 入 另 一 种 新 的 数 值 模
拟方法,其基本思想是:将多晶体材料看成由正六边
形的晶粒以及晶粒之间的分界区域(矩形的晶界)组
成,这些晶粒单元用来描述各个晶粒的塑性变形,晶
界单元则用来描述晶粒之间的剪切变形。该方法从
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