激光冲击微调校实验与数值模拟研究

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近年来,随着生物、医疗器械和微机电系统的迅速发展,产品逐渐趋于微型化与精密化,微型零部件变得越来越重要。作为一种微型零部件,微机械悬臂梁因在传感器中的应用受到广泛的关注,与之相关的悬臂梁微构件的调校技术也显得越来越重要。  本文提出了一种新颖的激光冲击微调校方法,旨在调节微构件的弯曲曲率和弯曲方向,实现高精度曲率的调节与校正,保证其位置精度。本文首先研究了激光冲击微调校方法的关键基础理论,包括其技术原理、激光与物质作用的力效应模型、高冲击载荷下材料的动态响应等问题。  其次,设计并搭建了激光冲击微调校试验系统。在微调校实验研究中,分析了激光冲击后表面烧蚀状况及冲击区域表面粗糙度的变化情况,同时分别研究了激光作用参数(包括激光冲击能量、激光冲击位置和激光冲击次数)和所采用的约束层和吸收层对调校结果的影响。实验结果显示:通过改变激光作用参数,悬臂梁试样可以产生不同的弯曲位移和弯曲方向;通过分析冲击区域内外的表面粗糙度的变化情况可知,在一定条件下,冲击区域比非冲击区域拥有更低的表面粗糙度,激光冲击能起到改善工件表面质量的作用;通过分析不同冲击位置下激光冲击微调校的变形情况,提出了冲击惯性机制和材料流动机制,这两种机制可以较好的解释和预测激光冲击微调校过程中的弯曲行为。  接着,根据冲击载荷的作用机理以及材料的动态响应过程,采用ANSYS与ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对激光冲击微调校过程进行了数值仿真,通过对比研究实验结果和模拟结果,可以看出模拟结果与实验结果有较好的吻合,证明了数值模型的正确性。更进一步,通过激光冲击微调校形变过程的数值仿真,验证了所提出的冲击惯性机制和材料流动机制。  最后,面向宽度尺度较大的微构件的微调校,本文还提出了激光搭接冲击微调校方法。通过搭接调校试验和数值模拟研究了激光能量,冲击位置,冲击次数和搭接率这四个因素对悬臂梁试样的弯曲角度与弯曲方向的影响。另外,残余应力分布的结果表明:在厚截面处的调校过程类似于激光冲击喷丸,而在薄截面处的调校过程类似于激光拉伸成形。研究还发现:在单次完整的搭接冲击作用后,悬臂梁试样会发生双向形变,即弯曲变形与倾斜变形。  本文研究为以后的激光冲击微调校方法的实际应用提供理论和试验指导。
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