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铝合金薄板激光冲击成形中的应力波传播特性及与材料作用机理研究
摘要：
铝合金薄板激光冲击成形是一种新型的金属成形加工方法，它通过激光束对金属薄板进行短暂而高能的冲击，使得金属薄板发生弹性变形和塑性变形，从而得到所需的成形几何形状。本文基于有限元数值模拟方法，分析了铝合金薄板激光冲击成形中的应力波传播特性，以及与材料作用的机理，通过分析得出了影响激光冲击成形结果的关键因素，并给出了相应的经验结论和理论依据。
关键词：
铝合金薄板，激光冲击成形，应力波传播，材料作用机理，有限元数值模拟
1.引言
金属成形加工是现代工业加工生产中非常重要的工序之一，不同的材料和成形方法都可以满足不同的工艺要求。铝合金薄板激光冲击成形是一种新型的金属成形加工方法，它通过激光束对金属薄板进行短暂而高能的冲击，使得金属薄板发生弹性变形和塑性变形，从而得到所需的成形几何形状。与传统的冲压、拉伸等成形方法相比，铝合金薄板激光冲击成形具有成形速度快、成形精度高、不需模具、适用于成形复杂形状等优点，因此在航空航天、汽车、电子等领域已经得到广泛应用。
2.理论分析
激光冲击成形是一种高速变形加工过程，通常在几微秒至毫秒级别内完成。在这个过程中，激光束对金属薄板进行短暂而高能的冲击，使得金属薄板在很短的时间内发生弹性变形、塑性变形、回弹等多种变形行为，从而得到所需的成形几何形状。因此，激光冲击成形中应力波传播和材料作用是非常重要的因素。
应力波传播是激光冲击成形中产生的一种波动现象，其传播过程可以分为压缩波、剪切波和T型波三种波动模式。其中，压缩波是最主要的波型，在激光冲击线冲击后的瞬间产生，其波速高达几千米每秒，能将冲击贞加压数倍以上。而剪切波和T型波则是在后续的过程中产生，它们分别对应于金属材料中的剪切强度和压缩特征。在铝合金薄板激光冲击成形中，应力波传播对于成形结果有重要的影响，因此需要进行详细的数值模拟和分析。
材料作用是激光冲击成形中的另一个重要因素，它包括材料的变形行为、应力和应变的分布等，这些都影响着最终的成形结果。在铝合金薄板激光冲击成形中，材料作用主要体现在材料的塑性变形和弹性回弹中，这些过程随着时间的推移而发生，对最终的成形效果有着非常重要的影响。
3.数值模拟
为了分析铝合金薄板激光冲击成形中应力波传播和材料作用的特性，本文采用了有限元数值模拟方法，建立了相应的模型和参数设置，并进行了一系列模拟计算。具体模拟步骤如下：
（1）建立模型。采用三维建模软件Solidworks建立170mm×100mm的铝合金薄板模型，并导入有限元分析软件ABAQUS进行后续模拟计算。
（2）设置材料参数。铝合金薄板的材料参数设置如下：杨氏模量E=70GPa，泊松比v=0.33，屈服强度约为250MPa。
（3）设置激光冲击参数。激光冲击参数设置如下：激光功率为2kW，脉冲宽度为10ns，发生距离为5mm。
（4）进行数值模拟。在以上参数设置的基础上，进行有限元数值模拟计算，分析铝合金薄板激光冲击成形中应力波传播和材料作用的特性。
4.计算结果及分析
通过有限元数值模拟计算，得到了铝合金薄板激光冲击成形过程中的应力波传播和材料作用情况，具体结果如下：
（1）应力波传播情况。在激光冲击之后的瞬间，压缩波以极高的速度传播，经过数毫秒后，达到另一侧，并产生反射波。同时，剪切波和T型波在后续的过程中产生和传播，对最终成形结果有一定的影响。
（2）材料作用情况。在激光冲击之后，铝合金薄板发生了弹性变形和塑性变形。经过一定时间后，材料发生弹性回弹，恢复到初始状态。而在塑性变形过程中，材料受到一定的拉伸、弯曲和剪切等作用，从而形成了所需的成形几何形状。
通过上述分析，可以得出以下结论：
（1）应力波传播对铝合金薄板激光冲击成形结果有重要的影响，需要在成形过程中予以引导和控制。
（2）材料作用对铝合金薄板激光冲击成形结果有决定性的作用，需要通过优化冲击参数和材料性质等手段来控制和调整。
（3）本文的有限元数值模拟方法可以有效地分析铝合金薄板激光冲击成形中的应力波传播和材料作用情况，为优化激光冲击成形过程提供了理论和实验依据。
5.结论
本文通过有限元数值模拟方法，分析了铝合金薄板激光冲击成形中的应力波传播特性，以及与材料作用的机理。通过分析得出了影响激光冲击成形结果的关键因素，指出了亟待解决的技术难题，并给出了相应的经验结论和理论依据。本文的研究成果对于进一步探究铝合金薄板激光冲击成形机理、提高成形精度和效率具有重要的意义。