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
犖狌犿犲狉犻犮犪犾犃狀犪犾
狔
狊犻狊狅犳犕犻犮狉狅犔犪狊犲狉犘犲犲狀犉狅狉犿犻狀
犵
犅犪狊犲犱狅狀
犌狉犪犻狀犪狀犱犌狉犪犻狀犅狅狌狀犱犪狉
狔
犈犾犲犿犲狀狋
犔犻狌犑犻狀
犵
犔犻狌犚犲狀
犑犻犣犺狅狀
犵
犣犺犪狀
犵
犕犻狀
犵
犺犪狅
（
犛犮犺狅狅犾狅
犳
犕犪狋犲狉犻犪犾狊犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀
犵
犻狀犲犲狉犻狀
犵
，
犛犺犪狀犱狅狀
犵
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
，
犑犻狀犪狀
，
犛犺犪狀犱狅狀
犵
２５００６１
，
犆犺犻狀犪
）
犃犫狊狋狉犪犮狋
犕犻犮狉狅犾犪狊犲狉
狆
犲犲狀犳狅狉犿犻狀
犵
（
μ
犔犘犉
）
犻狊犪狀狅狀狋犺犲狉犿犪犾犾犪狊犲狉犳狅狉犿犻狀
犵
犿犲狋犺狅犱犫
狔
狌狊犻狀
犵
狊犺狅狉狋
，
犻狀狋犲狀狊犲狊犺狅犮犽
狑犪狏犲犻狀犱狌犮犲犱犫
狔
犾犪狊犲狉犻狉狉犪犱犻犪狋犻狅狀犳狅狉狊犺犪
狆
犻狀
犵
狋犺犲 犿犻犮狉狅
狆
犪狉狋狊．犜犺狉狅狌
犵
犺狋犺犲犻狀犱犲
狆
犲狀犱犲狀狋犱犲狏犲犾狅
狆
犿犲狀狋狅犳狋犺犲 犿犲狊犺
犵
犲狀犲狉犪狋犻狅狀
狆
狉狅
犵
狉犪犿 犕犻犮狉狅犕犲狊犺
，
犻狋犻狊狉犲犪犾犻狕犲犱狋狅犮狅狀狊狋狉狌犮狋狋犺犲狉犲
犵
狌犾犪狉
犵
狉犪犻狀犲犾犲犿犲狀狋犪狀犱狋犺犲
犵
狉犪犻狀犫狅狌狀犱犪狉
狔
犲犾犲犿犲狀狋
犪狊狑犲犾犾犪狊狋犺犲犻狉狉犲
犵
狌犾犪狉
犵
狉犪犻狀犲犾犲犿犲狀狋犪狀犱
犵
狉犪犻狀犫狅狌狀犱犪狉
狔
犲犾犲犿犲狀狋．犜犺犲狀狋犺犲犱
狔
狀犪犿犻犮犲狓
狆
犾犻犮犻狋犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犿犲狋犺狅犱
（
犉犈犕
）
犻狊犲犿
狆
犾狅
狔
犲犱狋狅狊犻犿狌犾犪狋犲狋犺犲
狆
狉狅犮犲狊狊狅犳
μ
犔犘犉狅犳狌犾狋狉犪狋犺犻狀犳狅犻犾犪狋犪
犵
狉犪犻狀犾犲狏犲犾．犆狅犿
狆
犪狉犲犱 狑犻狋犺狋犺犲
犵
犲狀犲狉犪犾
犮狅狀狋犻狀狌狌犿犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犪
狆狆
狉狅犪犮犺
，
狋犺犻狊犿犲狋犺狅犱犻狊犿狅狉犲狊狌犻狋犪犫犾犲犳狅狉犱犲狊犮狉犻犫犻狀
犵
狋犺犲 犿犻犮狉狅狊狋狉狌犮狋狌狉犲犪狀犱 犿犲犮犺犪狀犻犮犪犾
狆
狉狅
狆
犲狉狋犻犲狊狅犳狋犺犲犳狅犻犾
，
犪狀犱狋犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋犻狋犮犪狀犫犲狌狊犲犱狋狅狊犻犿狌犾犪狋犲狋犺犲
μ
犔犘犉
狆
狉狅犮犲狊狊．
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
犾犪狊犲狉狋犲犮犺狀犻
狇
狌犲
；
犿犻犮狉狅犾犪狊犲狉
狆
犲犲狀犳狅狉犿犻狀
犵
；
犵
狉犪犻狀
；
犵
狉犪犻狀犫狅狌狀犱犪狉
狔
；
犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犿犲狋犺狅犱
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
资源评论
