不同激光熱源模式下薄板彎曲特性的數(shù)值模擬.pdf

1、激光成形是一種新型的板材柔性加工技術(shù),以激光束作為熱源局部加熱金屬材料,使材料完全在內(nèi)應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性變形。溫度場是激光成形過程的主導(dǎo)因素,直接決定了成形的質(zhì)量和效率,而激光熱源在時(shí)間和空間上的能量密度分布則決定了光束掃描過程中的溫度場。本文從激光熱源模式的角度出發(fā),以有限元分析軟件MSC.Marc為工具,建立了激光成形過程的三維彈塑性熱力耦合有限元模型,并從溫度場與彎曲角兩個(gè)方面對模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。針對不同的能量分布方式和光

2、斑形狀,建立了能量高斯分布圓形光斑、能量均勻分布方形光斑、能量均勻分布矩形1/4光斑(長寬比1:4)和矩形光斑(長寬比4:1)四種不同的激光熱源模式,在同等熱輸入條件下,對純鋁薄板的單軸彎曲過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在此基礎(chǔ)上分析了不同激光熱源模式下板材正向彎曲的溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場特征,進(jìn)一步對其反向彎曲特性進(jìn)行了研究,并實(shí)現(xiàn)了正反向彎曲技術(shù)的初步應(yīng)用。文中計(jì)算分析了不同光斑聚焦尺寸對薄板彎曲特性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)圓形光斑和矩形光斑具有較寬

3、的成形區(qū)間,矩形1/4光斑和矩形4/1光斑的成形區(qū)間相對較窄;每一種激光熱源,對應(yīng)著一個(gè)臨界光斑面積,當(dāng)光斑面積增加到臨界光斑面積時(shí),板材的彎曲角方向由正轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù),其中,圓形光斑熱源模式下實(shí)現(xiàn)反向彎曲所需的臨界光斑面積最大。通過對薄板激光成形過程中溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場的計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)僅在光斑輻照寬度內(nèi),板材厚度方向上才具有較為明顯的溫度梯度;能量高斯分布的圓形光斑獲得了類似高斯分布的上下表面溫度差分布特征,而能量均勻分布的方形和矩形光斑則

4、形成了均勻分布的上下表面溫度差分布特征;上下表面的塑性應(yīng)變差和塑性區(qū)寬度決定了板材彎曲量的大小,圓形光斑和方形光斑可形成較大的上下表面塑性應(yīng)變差,矩形1/4光斑則具有最大的塑性區(qū)寬度。綜合分析,正向彎曲與反向彎曲時(shí),均是采用矩形1/4光斑可獲得最大的彎曲角,成形效率最高。高溫區(qū)范圍和厚度方向的溫度梯度是影響彎曲角的重要因素;當(dāng)光斑面積較大時(shí),板材的應(yīng)力大小成為影響彎曲角大小的又一重要因素。最終,根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算參數(shù),進(jìn)行了同等尺寸板材