金属扇形层合板激光圆弧扫描弯曲数值模拟

【作者】 王焕捷； 王续跃；

【机构】 大连理工大学机械工程学院；

【摘要】 不锈钢-碳钢层合板是以不锈钢为覆层,碳钢为基层,利用爆炸、轧制等工艺结合制备而成。这种面结合层合板,由于覆层不锈钢的耐腐蚀、耐磨和耐热等性能,同时基体层碳钢又兼具较高强度和较好加工性等优点,广泛应用于航空航天、石油化工、压力容器等领域,如蒸馏塔圆形顶、船舶曲面外板等。激光弯曲成形是利用高能激光束扫描板件表面,在其内部产生不均匀分布的热应力来实现板材弯曲变形。国内外学者纷纷对激光弯曲成形的加工过程进行了工程基础和应用研究。基于ABAQUS有限元分析软件,根据扇形不锈钢-碳钢层合板的几何特征及材料特征,建立了扇形层合板的有限元模型。采用热-结构顺序耦合的方法,依据传热原理、热流密度原理以及高斯热源原理,并结合牛顿冷却定律,建立了扇形不锈钢-碳钢层合板脉冲激光同心圆弧扫描弯曲的有限元模型。分别对激光圆弧扫描温度场、应变场及其对扇形板弯曲变形特征进行了分析研究。采用频率为40Hz、脉宽为2ms的JK701H型脉冲Nd:YAG固体激光器进行了扇形不锈钢-碳钢层合板激光圆弧扫描弯曲实验验证,实验输入参数与模拟输入参数保持一致,其中激光功率140W、扫描速度400mm/min、扫描线半径45mm、光斑半径0.9mm,使用三维激光扫描仪及热电偶分别测量扇形板外圆线两端及中点Z向位移和板材上表面扫描线中点温度变化,实验结果验证了该有限元模型的有效性。综合有限元数值模拟及实验验证结果,得到以下结论:扇形层合板经脉冲圆弧扫描弯曲作用后,不仅会产生径向,即绕扫描线方向的弯曲,还会在周向,即绕垂直于扫描线方向产生弯曲变形,最终变形特征为两个方向变形的叠加,呈三维曲面变形特征;分析表明,层合板厚度方向温度平滑传递,扫描线起始端到末端,扫描线上表面各点最高温度逐渐上升,末端出现热量累积,温度梯度增大,最大为841K,导致塑性压应变逐渐增大,板材产生周向变形,平面应变使得扫描线附近厚度增加,板材整体平均增厚3%;通过脉冲激光圆弧扫描的模拟与实验对比,得出温度场及位移场的误差值分别为5.01%和8.29%,为金属扇形层合板激光同心圆弧扫描弯曲成形圆弧槽件的工程应用提供重要的理论及实验依据。更多还原