中空激光诱导冲击波高应变率冷塑成形与极限判据

针对激光冲击成形变形不均匀，中心区域易出现局部严重减薄和层裂等现象，本项目采用中空激光诱导冲击波高应变率冷塑成形新方法，预研结果表明，板料成形性能有较大提高。项目研究中空激光加载特性，探索其本构关系、变形机制和失效机制，提出中空激光冲击成形机制与极限理论判据，建立数学模型；研究中空激光时空分布、几何因子、约束因子等对板料成形的影响，探索其成形规律，确定中空激光冲击特征参量，提出中空激光冲击成形技术方法；考虑不同应变率和层裂阈值，设计不同应变路径，建立激光冲击成形极限图（LSFLD），并采用LSFLD对中空激光冲击成形进行预测和控制。项目在中空激光冲击成形技术方法、成形机制与成形极限判据和LSFLD建立方面的研究具有明显的创新。研究丰富了高应变率塑性成形理论，并为中空激光冲击成形技术的应用提供科学依据和技术支持，以实现金属板料的快速高效、可控、绿色、柔性冲压和融成形及强化于一体的成形新技术。

激光冲击成形下板料在变形中心区域产生破裂失效，失效影响了激光冲击加载下板料成形性能的发挥和提高，激光冲击成形技术的发展遇到瓶颈。为了解决这一问题，本项目提出采用中空激光对板料进行成形的思路。研究工作取得了如下成果：.　　　1. 建立了中空激光冲击成形系统。提出了一种可调空心光束内外径的方法,提出金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置，设计并制造了中空激光转换装置，建立了由中空激光转换装置、实验模具以及数控平台等组成的中空激光冲击成形系统；对中空激光的能量分布进行了分析，推导了中空激光冲击波加载的空间分布。.　　　2. 揭示了中空激光加载特性，建立中空激光冲击成形的动态响应理论。对中空激光诱导应力波的产生及传播过程进行了探索，利用特征线法对应力波在铝合金薄板中的传播、反射以及卸载的过程进行了理论分析；模拟探明了中空激光诱导应力波的传播规律和特性，为改善激光冲击成形性能提供了一条研究思路。.　　　3. 揭示了中空激光冲击成形规律和成形性能，提出了中空激光冲击成形的成形理论。采用模拟的方法对中空激光冲击下板料动态响应过程进行了分析研究，包括速度、位移、应力以及厚度的变化；采用数值模拟和实验的方法研究了中空激光时空分布、几何因子、约束因子等对板料成形和成形极限的影响，并对中空激光与实心激光冲击成形差异进了对比研究。.　　　4. 提出了激光冲击成形的破裂理论判据，建立了激光冲击波成形极限图。 采用对常规冲压成形厚度变薄率准则进行修正方法，通过公式推导形成了激光冲击成形的破裂判据，并对破裂判据进行了实验验证；通过数值模拟作出不同应变率状态下的激光冲击成形极限图，并且试验制作激光冲击成形极限图。.　　　5. 以波纹膜片为例，探索了中空激光冲击成形预测及控制方法，提出了激光冲击成形精度控制理论。.　　　6. 揭示了中空激光冲击成形中板料失效的时空分布特性和微观机制。研究获取了激光冲击下板料破裂的失效机制，以及不同失效机制和成形极限的关系；采用模拟和试验相结合的方法研究了实心激光和中空激光冲击下板料失效的时空分布特性，研究了中空激光时空分布、几何因子、约束因子等对激光冲击成形失效的影响规律；提出了板料在激光加载下发生失效的微观机制。