飛機受損件打磨表面形狀對激光噴丸殘余應力的影響*

徐曉 帥高鵬 程秀全 夏琴香?

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640;2.廣州民航職業(yè)技術學院 飛機維修工程學院， 廣東 廣州 510403)

飛機在服役過程中，其結構件在惡劣工作環(huán)境下極易出現(xiàn)腐蝕損傷[1- 3].在對腐蝕損傷區(qū)域進行修復前，首先需要對該區(qū)域進行打磨，打磨后材料表面的過渡區(qū)域會產(chǎn)生諸如平面、凹圓弧面、凸圓弧面、雙凸面、雙凹面和凸凹面等表面形狀[4].目前國內外學者在研究曲面上激光噴丸問題時，常將曲面激光噴丸簡化為平面激光噴丸，這種簡化方法對于曲率較小的曲面往往能夠得到接近真實的模擬結果，但對于曲率較大的曲面，由于該區(qū)域極易成為應力集中危險區(qū)域[5- 6]，采用上述簡化方法將會帶來較大偏差，難以準確預測材料表面殘余應力分布狀況.研究不同表面形狀及曲面曲率對材料表層殘余應力分布的影響規(guī)律對于激光噴丸在飛機維修中的應用具有極其重要的意義.

Vasu等[7- 8]通過對飛機吊耳的激光噴丸研究發(fā)現(xiàn)，激光噴丸后，材料表面殘余應力由大到小排列依次為凹圓弧面、平面、凸圓弧面，但其未對雙凸面、雙凹面等表面形狀下的殘余應力進行分析，因而無法直接利用其所獲結論預測飛機受損件激光噴丸修復后殘余應力分布狀況.盛湘飛[9]基于飛機受損件常用材料7075鋁合金，利用傳統(tǒng)機械噴丸工藝，對不同表面形狀下材料表面殘余應力進行分析，發(fā)現(xiàn)材料表面殘余壓應力由大到小依次為凹圓弧面、凸凹面、雙凹面、平面、凸圓弧面、雙凸面，不同表面形狀對材料內部殘余壓應力層深度影響不大.

文中基于飛機受損件常用材料7075-T6鋁合金，通過對打磨后表面形狀進行分析，采用函數(shù)對不同表面形狀進行表征，研究不同表面形狀及曲面曲率下材料表面的殘余應力分布，為更好地掌握打磨后受損件表面復雜形狀下的殘余應力分布規(guī)律奠定基礎.

1 飛機受損件打磨區(qū)域表面形狀分類

表1 不同表面形狀判定條件及其表面方程Table 1 Predicate conditions and surface region equations of different surface shapes

2 激光噴丸有限元模型

2.1 沖擊波壓力模型

1990年，F(xiàn)abbro等[12]通過約束模型下激光噴丸試驗并結合一定的理論分析，得出激光噴丸沖擊波峰值壓力的計算式如下：

(1)

式中，Pmax為峰值壓力，ε為激光內能轉化為熱能系數(shù)，Z為折合聲阻抗，I0為激光功率密度.

Zhang等[13]基于激光能量在空間上呈準高斯分布，提出沖擊波壓力在空間上亦呈準高斯分布，通過對Fabbro沖擊波壓力計算方法進一步改善，得出沖擊波壓力隨空間分布的計算式如下：

(2)

式中，x、y為沖擊區(qū)域某點的坐標值，R為光斑半徑.根據(jù)式(2)，采用歸一化處理，利用Matlab繪制沖擊波壓力空間分布圖，如圖1所示.

圖1 沖擊波壓力空間分布Fig.1 Distribution of shock wave pressure

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

數(shù)值分析模擬結果的準確性與網(wǎng)格的劃分緊密關聯(lián)[14].由于激光噴丸過程極其短暫(ns級)，金屬材料的動態(tài)響應十分劇烈，因而其對網(wǎng)格的要求遠遠高于常規(guī)有限元模擬[15].不同表面形狀下激光噴丸有限元模型均采用相似的網(wǎng)格劃分原則，下面以平面狀態(tài)下激光噴丸有限元模型網(wǎng)格劃分方法進行說明(其他形狀與之相似)，其網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分與邊界條件示意圖

Fig.2 Schematic diagram of grid partition and boundary conditions

胡永祥[16]通過對45鋼和LY12鋁合金的激光噴丸研究提出，在激光噴丸過程中，應力波主要沿縱向z傳播，因而在劃分網(wǎng)格時，縱向應采用更加緊密的網(wǎng)格進行劃分.劃分后的單元在x、y、z方向的尺寸分別用lx、ly、lz表示.橫向上，對激光噴丸區(qū)域采用lx=ly=R/20進行劃分；縱向上，由于激光噴丸殘余應力層深度可達1 mm，為使模擬結果更加準確，對距沖擊區(qū)域表面2 mm深度網(wǎng)格進行細化，并對細化區(qū)域采用lz=R/40進行劃分.網(wǎng)格劃分采用的單元類型為C3D8R，模型底部采用固定約束，模型的剖面設置為對稱邊界.7075-T6鋁合金材料的性能參數(shù)如表2所示[17].

表2 7075-T6鋁合金材料的性能參數(shù)Table 2 Mechanical properities of 7075-T6 aluminum alloy

3 飛機受損件打磨表面形狀對殘余應力分布的影響規(guī)律

3.1 表面形狀對殘余應力分布的影響規(guī)律

為了研究表面形狀對材料表層殘余應力分布的影響規(guī)律，利用三維建模軟件UG分別對平面、凸凹面、凸圓弧面、凹圓弧面、雙凸面、雙凹面進行建模，并以IGS格式導入有限元軟件ABAQUS中，對激光噴丸過程進行建模.對于不同表面形狀，當C1、C2不為0時，選取|C1|=|C2|=0.2 mm-1,即表1中不同表面形狀下表面方程R=5 mm.選取激光噴丸參數(shù)如下：沖擊波峰值壓力Pmax=1.83 GPa、光斑直徑D=2 mm、激光脈寬=10 ns、沖擊一次.由于不同表面形狀下殘余應力σx沿表面x、y方向的分布規(guī)律相似，以凹圓弧面為例，其殘余應力σx沿表面x、y方向的分布如圖3所示,l為距沖擊區(qū)域中心的距離.

圖3 凹圓弧面殘余應力σx沿表面x、y方向的分布

Fig.3 Distribution of residual stressσxalongxandyaxes for concave surface

不同表面形狀下殘余應力σx沿深度z方向分布及表面形狀與材料表層最大殘余壓應力σx,max關系分別如圖4和5所示.

由圖可知：

(1)經(jīng)激光噴丸強化后，不同表面形狀下材料表面最大殘余壓應力由大到小排列依次為：雙凹面、凹圓弧面、凸凹面、平面、凸圓弧面、雙凸面，表面殘余壓應力最大值分別為-151.6、-143.8、-140.0、-133.8、-125.5、-114.3 MPa，可由圖6進行分析.

圖4 不同表面形狀下殘余應力σx沿深度z方向的分布

Fig.4 Distribution of residual stressσxalongzaxis under different surface shapes

圖5 表面形狀與最大殘余應力σx,max的關系

Fig.5 Relationship between the maximum residual stressσx,maxand surface shape

圖6 不同表面形狀材料的區(qū)域劃分Fig.6 Partitioned regions of different surface shape

由圖6可知，對不同表面形狀下的材料進行區(qū)域劃分，當表面形狀為凸面時，模型中僅存在圖中所劃分的A區(qū)域材料.當表面形狀為平面時，較凸面而言，增加了圖中B區(qū)域材料.凹面較平面而言又增加了圖中C區(qū)域的材料.在激光沖擊作用時，沖擊區(qū)域周圍材料越多，對沖擊區(qū)域的約束作用越強，沖擊區(qū)域材料發(fā)生塑性變形越難，因而激光噴丸后其表面產(chǎn)生的殘余壓應力越大.

(2)不同表面形狀下材料表層殘余應力分布與平面狀態(tài)下殘余應力分布有著相似的分布規(guī)律，在表面x方向均為殘余壓應力，且殘余壓應力的大小隨著距沖擊區(qū)域中心的距離增大而減小，這主要是由于激光束在沖擊區(qū)域中心能量密度較高，而在沖擊區(qū)域邊緣能量密度較低.在表面y方向，隨著距沖擊區(qū)域中心距離的增加，材料表面殘余壓應力逐漸減小，在沖擊區(qū)域邊緣處會出現(xiàn)殘余拉應力，當距沖擊區(qū)域中心距離進一步增加時，殘余拉應力逐漸減小為0.

(3)材料內部殘余壓應力隨著深度的加深而逐漸減小，這主要是由于沖擊波在材料內部的傳播是一個逐漸衰減的過程，深度越深，沖擊波壓力越小，因而在深度方向上殘余壓應力逐漸減小.不同表面形狀對材料內部殘余壓應力層深度影響較小，材料內部殘余壓應力層深度的大小順序與表面殘余壓應力順序相同，但變化不大.

3.2 曲面曲率對殘余應力分布的影響規(guī)律

飛機受損件在打磨過程中，由于受損件尺寸或腐蝕損傷深度限制，需要打磨出不同曲率的各類表面形狀組合的過渡區(qū)域.不同曲面曲率下材料表面殘余應力分布不同，因而掌握曲面曲率對殘余應力分布的影響規(guī)律具有極其重要的意義.

為了研究曲面曲率對材料表面殘余應力分布影響規(guī)律，以雙凸面和雙凹面為例，分析當曲面曲率|C1|=|C2|，且取值分別為0.01、0.10、0.20 mm-1時材料表層殘余應力分布狀況.選取激光噴丸參數(shù)如下：沖擊波峰值壓力Pmax=1.83 GPa、光斑直徑D=2 mm、激光脈寬=10 ns.雙凸面殘余應力σx沿表面x、y方向的分布如圖7所示.

不同曲面曲率下殘余應力σx沿深度z方向的分布及曲面曲率與最大殘余壓應力的關系分別如圖8、9所示.

雙凹面殘余應力σx沿表面x、y方向的分布如圖10所示，不同曲面曲率下殘余應力σx沿深度z方向的分布及曲面曲率與最大殘余壓應力的關系分別如圖11、12所示.

圖7 雙凸面殘余應力σx沿表面x、y方向的分布

Fig.7 Distribution of residual stressσxalongxandyaxes for biconvex surface

圖8 雙凸面不同曲率下殘余應力σx沿深度z方向的分布

Fig.8 Distribution of residual stressσxalongzaxis under different surface shape for biconvex surface

圖9 雙凸面曲面曲率與最大殘余應力σx，max關系

Fig.9 The relationship between the maximum residual stressσx，maxand surface curvature for biconvex surface

由圖7-12可知：

(1)隨著曲面曲率的增加，雙凸面表面最大殘余壓應力逐漸減小，雙凹面表面最大殘余壓應力逐漸增加.這主要是由于隨著曲率的增大，雙凸面A區(qū)域(見圖6)部分材料逐漸減少，雙凹面C區(qū)域材料逐漸增加，導致在激光沖擊作用時，雙凸面激光沖擊區(qū)域周圍材料對沖擊區(qū)域約束作用減弱，激光噴丸后材料表面殘余壓應力較小，雙凹面激光沖擊區(qū)域周圍材料對沖擊區(qū)域約束作用變強，激光噴丸后材料表面殘余壓應力較大.

圖10 雙凹面殘余應力σx沿表面x、y方向的分布

Fig.10 Distribution of residual stressσxalongx,yaxis for biconcave surface

圖11 雙凹面不同曲率下殘余應力σx沿深度z方向的分布

Fig.11 Distribution of residual stressσxalongzaxis under different surface shape for biconcave surface

圖12 雙凹面曲面曲率與最大殘余應力σx,max關系

Fig.12 Relationship between the maximum residual stressσx,maxand surface curvature for biconcave surface

(2)不同曲面曲率對材料內部殘余壓應力及殘余壓應力層深度影響不大.

4 結論

(1)激光噴丸后，雙凹面、凹圓弧面材料表面最大殘余壓應力較平面大；凸圓弧面、雙凸面材料表面最大殘余壓應力較平面小，因此激光噴丸修復后，凸圓弧面、雙凸面極易成為飛機受損件強度薄弱區(qū)域.

(2)凸圓弧面、雙凸面材料表面最大殘余壓應力隨著曲面曲率的增加而逐漸降低，因而在飛機受損件打磨過程中，對于凸圓弧面、雙凸面應盡量采用較小的曲面曲率進行打磨.

(3)受損件表面形狀及曲面曲率對材料內部殘余壓應力及殘余壓應力層深度影響較小.

(4)在飛機受損件修復過程中，改變打磨后的表面形狀及曲面曲率半徑難以提升殘余壓應力層深度，要增大殘余壓應力層深度，可通過改變激光噴丸參數(shù)(如沖擊波峰值壓力、沖擊次數(shù)等)來實現(xiàn).

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