一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法技术

本发明专利技术属于增材制造领域，具体涉及一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法；首先采用有限元软件Simufact.Additive进行铝合金薄板激光选区熔化成形过程的模拟，并且在Simufact.Forming中冷却，获得制造残余应力和变形的分布，然后利用Msc.Marc输入应力和变形网格，在激光选区熔化成形过程中产生的残余应力和变形的基础上进行超声冲击过程的模拟计算，从而分析整个超声冲击对激光选区熔化成形金属构件作用的物理过程。本发明专利技术利用Msc.Marc动力瞬态模块进行超声冲击的模拟，将激光选区熔化成形应力场作为初始条件，计算结果与残余应力测试仪测设结果在数值与变化趋势上具有很好的一致，实现了优化冲击工艺参数和探究其作用机理的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法
本专利技术属于增材制造领域，具体涉及一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法。
技术介绍
铝合金具有良好的力学性能和加工性能，其密度较小、耐腐蚀耐磨性能好、强度和刚度高和抗冲击性能强等优点，在航空航天、汽车制造、船舶与海洋工程装备领域有着广泛的应用。激光选区熔化成形加工方式可以不受零件结构复杂程度的限制，制造出任意形状的构件。近年来，铝合金零部件激光选区熔化成形技术得到了越来越多的应用。由于激光选区熔化成形加工方式在加工过程中持续的快速熔化和凝固的特点，加工后容易产生残余应力和变形。对于铝合金构件，其刚度较小，所以更容易发生变形、开裂等，严重抑制了激光选区熔化成形技术在制造大尺寸构件上的应用。因此，有效的后处理技术控制构件的残余应力和提高表面质量具有重要意义。超声冲击技术是通过高频机械冲击的方式处理零件的表面，将其表面原有的拉应力转变为对构件有益的压应力、提高疲劳寿命，并且具有设备体积小、操作简单、适用性强等优点。作为一种有效的后处理技术，被广泛应用。但是由于超声冲击过程机理十分复杂，这就造成了很难对其工艺参数进行优化。单纯依靠实验数据和操作经验的方式会浪费大量的人力、物力与时间。目前有很多专家和学者进行了超声冲击对构件内部残余应力影响的模拟分析工作。但是很少有对超声冲击对于激光选区熔化增材制造构件残余应力的模拟分析。这种模拟分析必须建立在激光选区熔化成形构件的残余应力和变形的基础上进行研究。目前的模拟分析一般不考虑初始应力和变形的影响。关于激光选区熔化成形宏观构件的模拟，必须应用特定的增材制造模拟软件方可进行。目前常用来模拟超声过程的有限元软件为ANSYS/LS-DYNA/ABAQUS和Msc.Marc。但只有Msc.Marc可以读入Simufact.additive软件分析的残余应力场与变形。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，能够实现优化冲击工艺参数和探究其作用机理的目的。一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，具体包括如下步骤：步骤1：首先采用有限元软件Simufact.Additive对激光选区熔化成形过程进行模拟，获得残余应力场和变形，并且读入到Simufact.Forming中进行冷却至室温，获得稳定的残余应力场和变形。步骤2、采用多步计算的方式，先在Msc.Marc中读入变形几何体，然后重新打开文件，将激光选区熔化成形构件的残余应力按着节点和网格设置为初始条件，随后进行超声冲击模拟分析计算。步骤3、在Msc.Marc软件中建立超声冲击模型，然后将激光选区熔化成形获得的应力场作为分析的初始状态，进行超声冲击对激光选区熔化成形金属构件残余应力场作用的过程模拟分析。所述一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，步骤2具体包括如下步骤：步骤2.1、激光选区熔化成形过程模拟，首先读入构件三维模型到Simufact.Additive，添加支撑和加工参数，进行激光选区熔化成形过程模拟，获得带有应力场和变形几何模型的结果文件；步骤2.2、过渡步计算，将在Simufact.Additive计算得出的结果文件的应力场和变形几何体导入到Simufact.Forming中，并重新赋予相同的材料属性，进行冷却处理，冷却到室温25℃，获得冷却之后的应力场和变形几何模型的结果文件。所述一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，MSC.Marc模拟中同一位置多次冲击与现实实验中全覆盖冲击的对应法则是根据实验中超声冲击设备的移动速度来建立的。所述一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，超声冲击过程采用隐式求解器。所述一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，所述超声冲击技术的基本原理是磁致伸缩式或压电晶体式换能器将高频交变电能转换为机械能，换能器的震动输出端部与变幅杆相连，变幅杆另一端部与冲击针有一定的空隙，当换能器在高频交变电能输入时换能器做小振幅纵向往复运动，变幅杆将振幅放大从而撞击冲击针，从而冲击针高速向前冲击，在撞击到工件表面后开始回弹，如此在变幅杆和工件之间多次快速反复运动，从而完成对工件表面的处理，改变其原有的应力分布，引入对构件有益的压应力。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用Msc.Marc动力瞬态模块进行超声冲击的模拟，将激光选区熔化成形应力场作为初始条件，计算结果与残余应力测试仪测设结果在数值与变化趋势上具有很好的一致，实现了优化冲击工艺参数和探究其作用机理的目的。附图说明图1为被冲击构件有限元网格划分图；图2为冲头、冲击针与被冲击构件划分网格后整体装配图；图3为加载在冲头上的位移载荷曲线；图4为激光选区熔化成形后构件沿中心线纵向截面切开横向方向位移图；图5为激光选区熔化成形后构件沿中心线纵向截面切开后横向应力分布；图6为冲击处理过后构件沿中心线纵向截面切开后横向应力分布；图7为冲击处理过后构件沿中心线纵向截面切开后横向位移分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。图1为被冲击构件有限元网格划分图；图2为冲头、冲击针与被冲击构件划分网格后整体装配图；图3为加载在冲头上的位移载荷曲线；图4为激光选区熔化成形后构件沿中心线纵向截面切开横向方向位移图；图5为激光选区熔化成形后构件沿中心线纵向截面切开后横向应力分布；图6为冲击处理过后构件沿中心线纵向截面切开后横向应力分布；图7为冲击处理过后构件沿中心线纵向截面切开后横向位移分布。首先是激光选区熔化成形过程的模拟。步骤1、建立几何模型：尺寸12mm×12mm×5mm，并导入Simufact.Additve。利用Simufact.Additive软件中的金属粉末材料库定义其材料为AlSi10Mg粉末。步骤2、添加支撑和切割方式以及设置计算结束后将所有支撑移除。步骤3、设置加工参数：激光功率200w、效率50％、光斑直径70um、扫描速度1.8m/s、加工层厚0.03mm，以及扫描策略为每次旋转670。步骤4、划分网格，单元尺寸为0.2mm。提交计算得出残余应力场和整体塑性应变。冷却过程模拟。步骤1、在Simufact.Forming中导入结果文件获取几何模型和残余应力场。步骤2、重新赋予构件AlSi10Mg材料。步骤3、增加冷却分析步，设置构件初始温度为50℃，环境温度为25℃。步骤4、提交分析，获得稳定的带有应力场的整体塑性变形几何体的结果文件。在以上基础上进行超声冲击对激光选区有限元残余应力场影响的数值模拟。具体过程如下所述：有限元模型和网格的划分：有限元模型包括被冲击构件、冲击针和冲头三个部分。被冲击构件网格直接导入变形网格，冲击针与冲头按照实际尺寸进行建模，设置为变形体，采用四面体网格对冲击针与冲头进行网格划分，读入变形网格的被加工构件以及划分过网格的冲击针与冲头模型如图2所示。材料属性：冲击针为钢，采用普通Q235钢的属性，输入密度、弹性模量和泊松比；冲头为钨钢，采用普通YG28钢的属性，输入密度、弹性模量和泊松比；被冲击构件，利用弹性模量测量仪测量其弹性模量和泊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、首先采用有限元软件Simufact.Additive对激光选区熔化成形过程进行模拟，获得残余应力场和变形，并且读入到Simufact.Forming中进行冷却至室温，获得稳定的残余应力场和变形；步骤2、采用多步计算的方式，先在Msc.Marc中读入变形几何体，然后重新打开文件，将激光选区熔化成形构件的残余应力按着节点和网格设置为初始条件，随后进行超声冲击模拟分析计算；步骤3、在Msc.Marc软件中建立超声冲击模型，然后将激光选区熔化成形获得的应力场作为分析的初始状态，进行超声冲击对激光选区熔化成形金属构件残余应力场作用的过程模拟分析。

【技术特征摘要】
1.一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、首先采用有限元软件Simufact.Additive对激光选区熔化成形过程进行模拟，获得残余应力场和变形，并且读入到Simufact.Forming中进行冷却至室温，获得稳定的残余应力场和变形；步骤2、采用多步计算的方式，先在Msc.Marc中读入变形几何体，然后重新打开文件，将激光选区熔化成形构件的残余应力按着节点和网格设置为初始条件，随后进行超声冲击模拟分析计算；步骤3、在Msc.Marc软件中建立超声冲击模型，然后将激光选区熔化成形获得的应力场作为分析的初始状态，进行超声冲击对激光选区熔化成形金属构件残余应力场作用的过程模拟分析。2.根据要求1所述一种超声冲击处理对激光选区熔化成形金属构件残余应力影响的分析方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2.1、激光选区熔化成形过程模拟，首先读入构件三维模型到Simufact.Additive，添加支撑和加工参数，进行激光选区熔化成形过程模拟，获得带有应力场和变形几何模型的结果文件；步骤2.2、过渡步计算，将在Simufact.Additive计...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢晓冬，段晓明，姜风春，周长平，王振，李鹏，苏艳，蒋婷婷，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23