提出一种新的加载区域设置方法——面嵌入式加载区域设置方法,阐述其设置原理和操作步骤,并与现有的加载区域设置方法进行比较,最后进行实验验证。研究结果表明:面嵌入式加载区域设置方法所得加载区域可以更好地拟合实际问题中的光斑形状和大小,其精确性不以牺牲零件模型网格质量为代价,同时,该方法在多点冲击中可以通过加载区域的平移及复制实现多个冲击面加载,大大缩短建模过程中的加载区域设置时间,提高建模效率及模拟精度,是一种高效的精密加载区域设置方法。

采用有限元分析方法对激光冲击2024铝合金圆杆圆周曲面诱导的动态应力波及其残余应力进行了数值模拟。首先, 在ABAQUS/Explicit显式分析模块中模拟了峰值压力为2 GPa激光冲击波在φ16 mm杆中诱导的应力波的传播过程。随后, 在ABAQUS/Standard隐式分析模块中进一步计算在圆杆曲面上诱导的残余应力。在此基础上, 分析了圆杆直径的大小对应力波峰值衰减和残余应力分布的影响, 并进行了相关的试验验证。研究结果表明, 峰值压力为2 GPa冲击波在φ16 mm的杆中诱导的弹塑性的应力波, 应力波的峰值压力在400 ns时间内迅速衰减至250 MPa。冲击后, 在距光斑中心小于0.5 mm冲击区域内分布不均匀残余应力, 在光斑中心处形成了残余拉应力, 轴向S11值为42 MPa; 在半径为0.5~1.5 mm 的冲击区域分布着残余压应力, S11值大约在250 MPa。应力波在传播过程中, 其压力峰值衰减的速率随着杆径的增大而减慢, 表面形成的残余压应力均随杆径的增大而增加。

采用波长为1064 nm、脉冲宽度约为10 ns的激光束对304不锈钢进行双面冲击强化处理(LSP), 利用三维形貌仪观察LSP试样的表面形貌, 采用X射线应力仪测量试样表面的残余应力; 采用伺服液压疲劳试验机对试样进行疲劳试验, 以得到疲劳裂纹扩展速率曲线; 采用扫描电子显微镜观察试样裂纹扩展不同阶段的断口形貌。结果表明：激光冲击强化处理可使试样表面产生最大变形量约为25 μm的塑性变形, 形成最大值为-218 MPa的残余压应力, 并可使裂纹源向试样内部转移; 激光冲击强化能显著降低冲击区域处的裂纹扩展速率。基于疲劳裂纹扩展速率曲线再次验证了激光冲击处理可显著提高304不锈钢的抗疲劳性能。

为研究强激光直接辐照靶材诱导残余应力的分布特性,利用Nd∶YAG型激光器对7075铝合金试样在无吸收层和有吸收层的条件下分别进行了激光辐照试验,并对试验结果进行了对比。结果表明,激光直接辐照后的试样表面产生了重熔层和激光烧蚀斑点,试样表面分布的最大残余拉应力(TRS)为116.2 MPa,试样深度方向分布的残余应力为“拉应力-压应力(CRS)-拉应力”,且深度方向最大残余压应力为153.6 MPa,显微硬度在深度方向的最大值为174.5 HV。有吸收层时,吸收层激光辐照处存在近似光斑大小的圆形烧蚀区域,去除吸收层后试样表面存在光滑的凹坑;试样表面分布的最大残余压应力为264.7 MPa,试样深度方向分布的残余应力为“压应力-拉应力”,深度方向的最大残余压应力为258.3 MPa,显微硬度在深度方向的最大值为193.6 HV。

为研究不同边界约束条件对薄板多点激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响, 采用数值模拟和试验结合的方法对7075铝合金薄板激光喷丸处理进行研究, 对比分析了板料在底部全约束和两端夹持两种边界约束条件下的变形形貌和残余应力分布。结果表明: 激光喷丸后, 板料冲击区域均产生微凹坑; 底部全约束的板料经激光喷丸后, 未发生整体变形, 仍然保持平整状态, 而两端夹持的薄板喷丸区域发生了整体向上的凸起变形。两种边界约束条件下, 最大残余压应力均出现在板料的冲击表面; 底部全约束时的最大残余压应力为299.0 MPa, 大于板料两端夹持时的251.6 MPa。在厚度方向上, 其残余应力分布也存在着明显差异, 底部全约束时, 厚度方向上的残余应力分布形式为“压应力-拉应力”, 而两端夹持时的分布形式为“压应力-拉应力-压应力”。

基于ABAQUS有限元分析软件, 研究了2024-T351铝合金薄板在聚氨酯橡胶支撑下的激光冲击成形过程, 分析了橡胶垫块的厚度、直径、硬度对薄板成形的影响, 并实验验证了模拟结果。研究结果表明, 薄板的成形形状为半球形; 当橡胶厚度在1.5~3 mm范围内变化时, 厚度越大越有利于薄板的成形; 薄板的成形结果与橡胶直径无明显关联; 当橡胶的硬度在40~70 HA范围内变化时, 硬度越小越有利于薄板的成形。模拟与实验结果具有良好的一致性。

采用动力学有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对316L不锈钢靶板在脉宽为纳秒量级的强激光诱导的冲击波作用下的变形速度进行了数值模拟，建立了适用于高压高应变率条件下的有限元模型，并将数值模拟得到的速度曲线与前人实验结果进行了比较，验证了模型的正确性。此外，靶板的变形速度随冲击波压强的增加而增大，随靶板厚度的增加而减小。模拟结果对研究激光冲击成形、靶板层裂以及侵彻等过程具有参考意义。

利用三维有限元技术模拟预测激光单次冲击圆杆件诱导的残余应力场，并与实验结果比较，残余应力场的预测值与实验测量值一致性较好。探讨了激光功率密度、冲击角度以及冲击次数等激光参数对残余应力场的影响。结果表明，在激光冲击圆杆件过程中，激光功率密度越大，光斑中心区域的残余压应力越小，残余应力状态最终由残余压应力变为残余拉应力；光斑中心区域的残余压应力随冲击角度的增大而增大；冲击次数在一定阈值范围内时，光斑中心的残余压应力增幅显著，之后逐渐趋于饱和。塑性强化层深度随激光功率密度和冲击次数的增加而增大，激光冲击角度对塑性强化层深度几乎没有影响。

激光喷丸强化技术是一种新型的材料表面改性技术相比于传统喷丸强化技术,具有明显的优势。采用试验与有限元分析相结合的方法，探讨了在一定冲击顺序下，多点激光喷丸强化处理后紧固孔周围残余应力的分布情况。结果表明，通过多个直径为2.6 mm光斑的组合能形成一个直径近似为6 mm的较大圆形冲击区域，可用来替代大直径光斑进行冲击强化。在多点激光喷丸强化过程中，由于多个光斑叠加，导致冲击区域的表面残余压应力幅值由第一点冲击后的134 MPa增加到冲击结束后的254 MPa，冲击区域变形深度也逐渐增大到26.6 μm。在冲击区域钻孔后，紧固孔孔口边缘处的最大残余压应力值明显减小。模拟值与实验值吻合较好。

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面改性技术。在实际应用中，由于激光光斑直径通常在20 mm 以下，工件表面大范围的激光冲击强化需要采用多个光斑搭接。运用实验和数值模拟的方法，探讨了光斑在不同中心距下诱导的残余应力场的分布规律，研究了不同搭接率对残余应力分布的影响，以及两种不同加载顺序下表面残余应力的分布特性。结果表明：相邻光斑中心距对两光斑之间区域的残余应力有重要影响，随着两光斑中心距的减小，相邻光斑之间区域的应力场由残余拉应力转变为残余压应力；搭接率越大，获得的残余压应力幅值越大，残余应力分布越均匀；从中间到两侧的多点冲击方式能获得较大、较均匀的残余压应力。