摘要：飛機上存在成千上萬個鏈接孔、緊固孔等，而小孔結構是典型的應力集中細節，易在疲勞載荷下失效，從而造成嚴重的經濟損失和安全威脅，因此提高小孔構件的抗疲勞性能意義重大。新加坡Zheng H.Y等對超聲振動輔助飛秒激光打微孔的復合加工方法進行了研究，發現超聲振動的引入比單純的激光加工對小孔壁面的光潔度有較大的改善。本文將對厚板小孔構件的超聲擠壓和激光沖擊兩種強化進行分析，并對其超聲擠壓及激光沖擊復合強化后的疲勞特性進行仿真研究。

　　關鍵詞：厚板小孔;超聲振動;激光沖擊處理;有限元分析;力學特性

　　0.引言

　　傳統小孔構件強化方法有機械噴丸強化，干涉配合，滾壓強化等，激光沖擊強化技術(LSP)是國際上迅速發展起來的一種新型表面強化技術，通過激光誘發的沖擊波使材料表面產生彈塑性變形，從而在表面引入一定的殘余壓應力場，使材料的抗疲勞性能得以提高。該技術具有非接觸、形變小、不存在熱影響區等優點。但對于厚板，由于孔壁中部難以受到激光沖擊的影響而導致強化效果相對較差。

　　超聲振動擠壓技術是在冷擠壓的基礎上加上超聲振動，能有效降低冷擠壓過程中的摩擦力，從而減小拉拔力，使芯棒不易斷裂，使得芯棒擠壓強化Ø3mm 以下的小孔成為可能，但擠壓后的孔壁應力分布不均勻，孔壁中部壓應力較高，而孔角依然比較薄弱。將上述兩種小孔強化方法復合在一起，取長補短，是一種新的強化工藝，使得厚板小孔構件也達到很好的強化效果。

　　1.激光沖擊強化技術

　　1.1 激光沖擊強化技術原理

　　激光沖擊強化技術，是用高功率密度、短脈沖的激光通過透明約束層，由于能量沉積的時間很短，只有納米級，所以強化材料在受到龐大能量沖擊時會瞬間氣化為高能等離子體。在被約束層，等離子體迅速膨脹，從而形成超高壓的沖擊波，反向作用于材料，改變材料微觀組織，提高材料的抗疲勞性能、表面硬度以及耐磨性。

　　1.2激光沖擊強化技術殘余應力分析

　　根據爆炸轟擊波模型分析，約束層有利于形成較大的壓應力。激光沖擊波照射材料表面產生正應力，在正應力的作用下，材料發生塑性變形，進而產生殘余應力。根據彈性力學理論，只有激光沖擊波應力大于材料的彈性極限時，才會發生塑性變形和殘余應力時，材料仍會發生一部分彈性形變;當塑性形變逐漸變大接近飽和;當材料則會因為表面卸載波的形成，降低殘余正應力。根據分析發現，最佳的峰值壓力應該取在2~3倍的彈性極限范圍內，此時激光沖擊強化效果最佳。

　　2.超聲擠壓強化技術

　　2.1超聲擠壓強化技術原理

　　在小孔冷擠壓強化的過程中，芯棒直徑大于孔徑，此時孔壁會發生一定的塑性變形，而較遠處的材料則會產生彈性變形，彈性變形層對塑性變形層進行反向加載，產生殘余應力。而在超聲擠壓強化中，根據超聲振動的表面效應和體積效應，超聲高頻振動作用下，正在變形的原子產生受迫振動，使得原本偏離位置的原子重新復位，提高材料的塑性。

　　2.2超聲擠壓強化后材料力學特性分析

　　姜銀方等人通過仿真模擬研究，對接觸力和摩擦力進行了對比分析，得出結論：各階段的摩擦力、接觸力變化規律基本趨于一致，超聲擠壓強化過后的摩擦力、接觸力的平均值都小于傳統擠壓強化，同時，在擠壓強化過程中施加超聲振動后，接觸力和摩擦力均會隨著時間的增加而減小。

　　3.超聲擠壓與激光沖擊復合強化技術

　　3.1復合強化對應力分布的影響

　　超聲擠壓強化是通過對孔壁施壓，使得較遠處材料對孔壁進行反向加載，在孔壁附近形成殘余壓應力，延長小孔使用壽命，孔壁中部產生較大的殘余壓應力，而孔角的殘余應力較小，且不對稱。激光沖擊強化使材料表面發生塑性變形，試樣表面產生一定高度的壓應力，進而提高小孔疲勞性能�？妆谥胁繒�出現殘余拉應力，使得沿孔厚方向，應力呈現“壓-拉-壓”的狀態，孔壁中部成為薄弱地區。此時，根據應力疊加理論分析，若將兩種強化方式結合，小孔整個孔壁呈現殘余壓應力，提高抗疲勞性能。

　　3.2復合強化有限元結果分析

　　3.2.1仿真過程

　　本文使用ABAQUS有限元分析軟件模擬鋁合金結構孔的復合強化。首先定義材料屬性：工作芯棒采用彈性模量E=210GPa，泊松比為0.3;小孔構件采用航空鋁7050-T7451，泊松比為0.33，彈性模量E=69GPa。定義接觸對：本文強化過程采用的接觸類型為剛體-柔體接觸，即定義工作芯棒的外表面(主面)和7050-T7451鋁的內表面為接觸面(從面)，允許按壓過程中產生相對滑移，摩擦因數劃分網格：為了分析強化后的殘余應力分布規律，所以定義越靠近孔邊緣部分，網格越精細。

　　3.2.2復合強化影響因素分析

　　通過調試仿真軟件的各類參數進行對比，發現影響復合強化效果因素有很多，例如通過改變激光脈寬，發現在峰值壓力2GPa時，不同脈寬下復合強化后的拉應力峰均出現在距孔壁中部一定深度處，并且隨脈寬的增加而減小，而孔壁中部的殘余拉應力值以及孔角處的殘余壓應力值則隨著脈寬的增加而增加;通過改變振幅后發現，除了孔角處的應力存在微小差異，表面殘余應力分布曲線基本重合，即芯棒振幅對復合強化后的效果沒有明顯的影響。

　　機械論文投稿刊物：工具技術(月刊)創刊于1964年，是成都工具研究所主辦的切削與測量工程綜合性技術刊物，本刊已被國內外有關機構認定為中文核心期刊、中國科技論文統計用刊、中國學術期刊(光盤版)入編期刊等，并多次榮獲四川省和機械工業部優秀科技期刊獎。

　　4.結束語

　　本文借助ABAQUS有限元分析及彈塑性力學原理，對超聲擠壓強化與激光沖擊強化技術進行了理論分析，并對其復合強化進行了仿真模擬，得出結論：在激光沖擊強化后加入超聲擠壓，能夠有效平衡孔壁中部的殘余拉應力;增大脈寬會使孔壁中部的殘余拉應力增大，而增大振幅對復合強化后的效果沒有影響。

　　【參考文獻】

　　[1]李鑫. 小孔結構激光沖擊與超聲復合強化及抗疲勞研究[D].江蘇大學,2019.

　　[2]姜銀方,劉委,趙勇,李鑫,李旭.小孔構件超聲擠壓強化力學特性對比[J].工具技術,2018,52(03):44-48.

　　[3]劉委. 小孔構件激光沖擊與芯棒擠壓復合強化方法及疲勞特性研究[D].江蘇大學,2017.

　　[4]馮文龍. 激光沖擊強化小孔構件可靠性影響因素及P-S-N曲線研究[D].江蘇大學,2017.

　　作者：鄭陽 夏天順 蔣天宇 李文彪