GPa量级下变截面金属管激光冲击波超快动态成形机制的研究

As the demand for lightweight and reliability of vehicles increases, the proportion of high strength materials, such as titanium alloy, applied in vehicles is rising substantially. However, due to the restriction of forming pressure, it is still difficult for internal high pressure hydraulic forming technology to form variable cross-sectional metal tubes made of high strength materials. The main purpose of the project is to explore the principle and method to form dynamically the variable cross-sectional metal tubes by laser shock wave with GPa pressure. The characteristics of shock wave in terms of temporal and spatial distribution, the stress-strain relationship of materials impacted by shock wave and the laser dynamic shock forming mechanism of metal tube are investigated in detail..With theoretical analysis, simulation and experiments, the model of temporal and spatial distribution of shock wave pressure is developed, and the constitutive relation of materials under high strain rate is established. The mathematical model is also set up to reveal the relationship among the tube deformation magnitude, the applied laser parameters and material mechanical properties. Moreover, the principle of dynamic deformation of the metal tube is presented. Therefore, the precise forming theory and the method of metal tube with various cross sections can be obtained, which have a wide range of potential applications in the defense, automotive and other industries.

随着人们对运载工具轻量化和可靠性的要求越来越高，钛合金等轻质高强度材料在运载工具中用量的比例不断提高。目前，由于受成形压力的制约，内高压液力成形技术还难以成形高强度材料的变截面金属管。本项目旨在探寻采用压力为GPa量级的激光冲击波动态成形变截面金属管的原理和方法。以钛合金/铜等典型金属材料为研究对象，研究强激光诱导冲击波压力的时空分布特性、典型材料在冲击波作用下的应力应变关系、金属管材在激光冲击波加载下的动态成形规律等。在理论分析的基础上，结合数值模拟和实验分析，构建激光冲击波压力时空分布的模型，建立材料在高应变率下的本构关系，揭示金属管变形量与激光参数及材料力学性能之间的内在联系，阐明金属管动态变形规律，以获取变截面金属管精确成形的理论和方法。本项目的研究为成形变截面金属管提供了新的手段和相应的理论支持，在国防、汽车等行业中有着广泛的应用前景，潜在着巨大的工程实用价值。

金属变截面管在航空、汽车等领域有着重要应用。本项目围绕金属变截面管激光冲击波动态成形的原理和方法开展了研究。以常用的钛合金/紫铜等典型金属材料为研究对象，探讨了激光诱导的冲击波在圆管中扩散膨胀的规律及管壁受冲击载荷作用的表征方法，建立了材料在高应变率下的应力应变关系模型，揭示了金属变截面管动态变形的机理，分析了金属管内壁在激光冲击波加载下表面形貌特征，揭示了变截面管在激光冲击波作用下破裂失效特征。. 研究表明，激光辐照反射锥产生高压等离子体，高压等离子体急速膨胀将溶化的反射锥材料溅射到管壁上。反锥面角度、反射锥位置以及初始压力对高压等离子体流场的压力分布有重要影响。在相同的激光功率密度下，反射锥锥角越小，管壁所受的冲击波作用越明显，反射锥与金属管配合间隙越小，冲击波对管壁作用就越大。. 研究表明，金属管在激光冲击波作用下快速变形，金属管高压动态成形受多种因素影响。高压等离子体初始压力增加，圆管变形量增大；在相同初始压力下，压力加载位置越靠近端面，圆管变形量越大，加载位置超过一定阈值，变形量将不再受影响；反射锥角度对变形量的影响较大；圆管变形量越大，管壁减薄现象越严重。. 研究表明，在金属管成形过程中，随着冲击次数增加，金属管变形量逐渐增加。金属管破裂失效的裂纹是多条裂纹。金属变截面管的大变形可以通过多次累积而成，金属管与模具间的适度碰撞有利于提高成形精度。. 研究还表明，激光辐照反射锥高压等离子体，管壁表面受到冲击波的作用和熔融物的溅射，粗糙度值变大，而且粗糙度值随着冲击次数的增加而增加。管壁受冲击波作用区域，材料表层硬度提高。. 本项目理论成果为研究激光冲击波在半封闭区域内压力的演化和管壁激光冲击波的加载方法提供了参考，开辟了新的金属变截面管成形方法，丰富了金属管内高压成形和激光冲击加工理论，为金属变截面管实际应用奠定了基础。