中空激光加載及其板料成形特性研究.pdf

1、中空激光沖擊板料成形技術(shù)是在激光沖擊板料成形技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸出來的研究課題，不但具有激光沖擊板料成形的高效、柔性、清潔等優(yōu)點(diǎn)，而且中空激光沖擊成形能夠避免實(shí)心激光沖擊時(shí)板料變形不均勻和層裂的問題，中空激光能量分布的特殊性，使板料塑性變形更充分，中空激光沖擊成形更具有發(fā)展前景。目前，中空激光的研究尚處于初級(jí)階段，本文主要研究中空激光加載及其成形特性，包括中空激光的形成，中空激光的加載分析，以及在中空激光加載下各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)板料成形的影響，為

2、以后中空激光沖擊成形實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
　　 本文主要工作和結(jié)果有以下幾點(diǎn):
　　 (1)分析中空激光的產(chǎn)生原理，通過對(duì)正、負(fù)軸棱錐光學(xué)元件的理論研究，提出并設(shè)計(jì)了一種通過對(duì)入射實(shí)心激光束束寬的改變，正、負(fù)軸棱錐之間間距的改變來實(shí)現(xiàn)中空光斑尺寸、光環(huán)寬度調(diào)節(jié)的中空激光束形成的新方法，加工出了適用于試驗(yàn)的中空激光轉(zhuǎn)換光學(xué)裝置，并對(duì)中空激光的光束強(qiáng)度進(jìn)行了分析。
　　 (2)分析了激光束的波長(zhǎng)、能量、時(shí)間特性、空間

3、特性、偏振特性等光束特性對(duì)光加工的影響;從理論的角度，研究分析了板料在激光加載時(shí)所受的壓力的時(shí)空分布、成形深度;應(yīng)用有限元的方法，研究了光斑內(nèi)外徑變化對(duì)板料變形的影響，以及中空激光加載下板料的速度、應(yīng)力、厚度的變化，結(jié)果表明當(dāng)內(nèi)外徑之比在0.3～0.5范圍內(nèi)時(shí)，板料底部較平整，成形效果好，在光斑內(nèi)徑附近板料的速度和應(yīng)力最大，厚度最薄。
　　 (3)進(jìn)行了中空激光與實(shí)心激光沖擊板料成形的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)論單次沖擊還是多次沖擊

4、，中空激光沖擊成形效果都優(yōu)于實(shí)心激光沖擊成形，中空激光沖擊后的板料變形均勻，形貌較好，塑性變形充分。通過測(cè)量中空激光沖擊后板料的成形輪廓、極限成形高度、關(guān)鍵部位的應(yīng)變，研究激光能量、板料厚度、光斑內(nèi)外徑之比、功率密度以及沖擊次數(shù)等沖擊參數(shù)對(duì)成形的影響，結(jié)果表明:采用中空激光進(jìn)行單次沖擊，在一定的范圍內(nèi)，能量越大板料的變形量越大，板料越厚板料的變形量越小，功率密度越大，板料的塑性變形越大;應(yīng)用中空激光進(jìn)行多次沖擊，在一定的范圍內(nèi)，板料厚度

5、越大，板料的成形深度越大，需要的沖擊次數(shù)越多，功率密度越大，達(dá)到板料破裂極限時(shí)，板料的塑性變形越小。同時(shí)考慮激光能量和沖擊次數(shù)對(duì)變形的影響，采用中空激光沖擊時(shí)，只要光斑相同，板料厚度相同，所用的總能量（單次沖擊能量與沖擊次數(shù)的乘積）一樣，當(dāng)板料達(dá)到處于臨界破裂狀態(tài)的特征時(shí)，其成形效果基本一樣。內(nèi)外徑之比越大，達(dá)到板料極限狀態(tài)所需沖擊次數(shù)呈增大趨勢(shì)，板料成形極限深度也逐漸增大。最大應(yīng)變的位置和破裂的位置都是在內(nèi)徑稍微向外一點(diǎn)，揭示了中空激