基于ABAQUS单点显式VDLOAD/隐式DLOAD激光冲击加载(圆形光斑和方形光斑)

1. 激光冲击强化是一种相对而言较新的机械表面处理方式。就目标而言它与机械喷丸强化类似：在材料的表面和近表面引入有益的残余压应力。激光冲击强化使用高功率激光脉冲将表面电离成高压等离子体，在一个透明的惯性约束介质中（通常是水）进行操作。可以使用一种类似黑色铝箔胶带的牺牲性涂层作为热保护覆盖层来保护靶材表面的完整性。与机械喷丸相比，使用激光冲击的制造优势是可控的准确性和精度，有害表面改性的减少和疲劳寿命的提高。随着有限元技术的逐渐发展，激光冲击残余应力的演变得以可视化研究。传统的建模方式通过GUI方式切分出特定形状和大小的光斑面，然后在此光斑面施加随时间（幅值曲线）和空间（解析场）变化的载荷，效率低，不适合多光斑的研究。ABAQUS软件可以通过显式VDLOAD或隐式DLOAD子程序二次开发进行单点/多点激光冲击模拟，效率高。不同之处在于隐式相对计算时间长但是可以在第一步冲击后直接在第二步进行回弹分析，无需进行数据传递来计算回弹过程。
2. 本帖基于ABAQUS的VDLOAD/DLOAD子程序对比显式/隐式算法下不同光斑形状的应力和塑性应变。首先进行模型构建。

• 材料采用Ti-6Al-4V钛合金，有限单元区赋予弹塑性参数，无限单元赋予弹性参数。具体参数如下：
• 密度：4.5e-9；弹性：1.2e5,0.34；塑性：A:1098  B:1092  C:0.014  n:0.93  参考应变率：1
• 装配：全局坐标原点与有限单元顶点重合。

• 分析步创建：隐式/显式分析步，增量采用固定增量步
• 接口设定：

• 网格划分，无限单元部分定义网格节点方向排布
• 建立模型输出inp文件，将无限单元部分的单元类型改为CIN3D8

• 如果冲击光斑为圆形光斑，网格细化至50微米，如果为方向光斑，网格100微米
• 圆形光斑在空间表现为高斯分布，表现为从中心区域到边缘冲击载荷逐渐变小。

• 方向光斑在空间表现为均布载荷，其峰值载荷为圆形光斑的0.618倍，一些研究表明相同激光参数下方形光斑搭接冲击材料疲劳性能较高。

• 幅值曲线：

子程序编写，VDLOAD/DLOAD，圆形光斑峰值载荷5100MPa，方形光斑峰值载荷3150MPa

• VDLOAD接口：

      subroutine vdload (
C Read only (unmodifiable)variables -
     1 nBlock, ndim, stepTime, totalTime,
     2 amplitude, curCoords, velocity, dirCos, jltyp, sname,
C Write only (modifiable) variable -
     1 value )
C
      include 'vaba_param.inc'
C
      dimension curCoords(nBlock,ndim), velocity(nBlock,ndim),
     1  dirCos(nBlock,ndim,ndim), value(nBlock)
      character*80 sname
C
      ！变量声明
      ！变量参数定义
      do k = 1, nBlock
        
         value(k) = p(用户自定义部分，具体包括幅值曲线的表达式，光斑加载范围)


      end do
  
      return
      end

• DLOAD接口：

      SUBROUTINE DLOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,
     1 COORDS,JLTYP,SNAME)
C
      INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'
C
      DIMENSION TIME(2), COORDS (3)
      CHARACTER*80 SNAME

      ！变量声明
      ！变量定义
      ！幅值曲线、光斑约束定义
      F = p 


      RETURN
      END

• VDLOAD显式冲击圆形和方形光斑对比

        米塞斯应力：圆形成四周扩散形式，方形相对范围较小

        等效塑性应变：圆形中心区域变形较大，方形整体变形均匀，顶点处出现应力集中，变形过大

• DLOAD隐式冲击圆形和方形光斑对比

        隐式计算时间成本较长，此处计算到1.5e-8

        米塞斯应力：圆形呈高斯分布，方形均匀

       

        等效塑性应变：与显式规律基本一致

• 圆形光斑经VDLOAD显式和DLOAD隐式冲击下对比

        米塞斯应力：隐式计算得到的应力分布相对均匀，且数值相对较小，但是云图数值基本相近

          等效塑性应变：隐式计算塑性变形相对均匀，变形相对较小

        虽然隐式得到的结果相对均匀准确，但是计算成本相比较高。

• 方形光斑经VDLOAD显式和DLOAD隐式冲击下对比

        米塞斯应力：显式更加均匀，无应力集中产生，隐式计算结果顶点处产生应力集中

         等效塑性变形：显式计算得到的结果相比隐式更加均匀

• 位移比较，无明显区别

• 方形实际冲击过程并不会出现顶点的应力集中现象，模拟与网格相关，网格大小尽量能被程序所定义的约束坐标值整除。
• 方形光斑的应力和应变整体相对均匀，实际激光喷丸过程中方形光斑的冲击对表面完整性更加有利。