【摘 要】
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纤维金属层板（FMLs）是一种金属薄板和纤维增强复合材料交替铺层的层间混杂复合材料,兼备二者的优点,广泛应用于航空航天领域。然而FMLs成形难度高是无法大范围工业应用的原因之一。激光弯曲成形无需模具,柔性大,在成形FMLs结构件中的优势在于不会对材料结构造成损伤。由于FMLs材料各向异性,存在激光成形精度和质量问题。因此,深入研究激光束与FMLs相互作用具有重要的理论意义和实用价值。本文以玻璃纤维
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51375073,No.51621064）；
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纤维金属层板（FMLs）是一种金属薄板和纤维增强复合材料交替铺层的层间混杂复合材料,兼备二者的优点,广泛应用于航空航天领域。然而FMLs成形难度高是无法大范围工业应用的原因之一。激光弯曲成形无需模具,柔性大,在成形FMLs结构件中的优势在于不会对材料结构造成损伤。由于FMLs材料各向异性,存在激光成形精度和质量问题。因此,深入研究激光束与FMLs相互作用具有重要的理论意义和实用价值。本文以玻璃纤维增强铝合金层板（GLARE）为研究对象,通过实验探究了激光工艺参数与板材参数对弯曲成形的影响;基于有限元方法对弯曲过程进行了数值模拟;对GLARE层板激光多路径扫描产生的应力释放现象进行分析与抑制,主要工作如下:（1）GLARE层板激光弯曲试验研究。确定了GLARE层板无损伤激光弯曲工艺参数窗口;弯曲角度随激光功率、扫描次数增大而增大,随离焦量、扫描速度增大而减小,随90°铺设角度的单层占比增加而减小,随自由端距离的增大先增大后减小;并通过正交实验确定了最优加工参数组合。（2）GLARE层板激光弯曲数值模拟。基于ABAQUS建立了考虑脉冲激光特点和GLARE层板的结构特性的激光弯曲成形模型,对成形过程中温度场、应力应变场、位移场进行讨论分析以解释GLARE层板激光弯曲成形机理;模拟结果与实验结果一致性好,温度与位移最大误差在±5%以内。（3）GLARE层板多路径扫描应力释放现象规律研究与抑制。GLARE层板成形后在自然时效下残余应力状态较为稳定;应力释放导致的角度回弹变形随单道弯曲角度α、扫描道数NL、90°单层占比的增加而增大,随扫描间距P的减小而增大;提出上下层交替扫描激光弯曲成形方法进行抑制,当θExpected=20°,累积弯曲角度保留系数K提高了45.31%,减小了角度回弹变形,提高了GLARE层板单曲面的激光弯曲成形精度。（4）采用上下层交替扫描方法试制GLARE层板圆弧面样件。以曲率半径150 mm圆弧面为目标曲面,采用等扫描间距、等单道弯曲角度的方式进行路径规划,对应力释放现象产生的角度回弹变形进行补偿,试制圆弧面样件实际曲率半径为151.576 mm,弯折区无明显分层等缺陷;上、下层铝合金硬度较基板均有提高,表面粗糙度略有增大。本文用数值模拟的方法解释了GLARE层板激光弯曲成形机理,提出了上下层交替扫描激光弯曲成形方法抑制激光多路径扫描中应力释现象放导致的角度回弹变形,在指导GLARE层板单曲率零件高精度成形方面具有重要意义。
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