激光淬火热致残余应力的数值分析

在分析温度、相变、应力的相互耦合关系的基础上,讨论了相变条件的数学模型和相应材料性能改变的方程,提出了反映相变影响的温度场控制方程,导出了含相变的热弹塑性本构方程,应用有限元进行了温度场、应力场的计算.     

激光辐照飞行靶三维温度场数值模拟

以地基激光辐照飞行靶为研究背景,建立激光迎面辐照和横向辐照靶目标两种交汇场景,考虑激光辐照面域和功率密度分布随靶目标飞行的变化,求解激光辐照参数,建立热传导模型;利用有限容积法,得到飞行靶三维温度场的数值解,分析目标运动性对温度场分布的影响。不同于激光辐照静止目标,辐照参数变化对温度场分布有较大的影响:随着靶目标的飞行,辐照面积逐渐减小,平均功率密度逐渐增加,目标温升速率不断增加;光束与靶目标夹角的变化,引起光束强度空间分布的变化,从而影响温升区域的变化。     

基于Abaqus圆柱圆周表面激光淬火温度场仿真

针对圆柱圆周表面激光淬火的温度场形成特点,利用Abaqus软件对其进行温度场仿真分析。通过对圆柱进行三维实体建模,细化作用面,细分作用时间步长等操作,实现了对圆柱圆周表面激光淬火的温度场瞬态形成仿真。通过对仿真所得结果进行分析,得出对于圆柱圆周表面的激光淬火温度场来说淬火路径开始区域的淬火温度比淬火路径末端区域的淬火温度小。从而说明在圆柱圆周表面激光淬火时,由于激光光斑扫描的方向是趋于已淬火区域,所以已淬火区域的残留温度会对淬火区域的基温有影响,从而使得激光淬火路径末端区域的淬火温度高。研究为利用Abaqus软件对圆柱圆周表面激光淬火温度场形成仿真分析提供了指导,对圆柱圆周表面激光淬火工艺应用于实际生产有很大的帮助。     

激光熔覆Co基合金温度场的数值模拟

为了分析Co合金熔覆的温度场,采用有限元法建立了低碳钢表面上激光熔覆预置钴基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场进行了分析,并进行了验证。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,光斑附近等温面较为密集,远离光斑处等温面较稀疏;在其它工艺参量不变的情况下,扫描速率为5mm/s时熔覆过程的稀释率为8.26%,可以获得良好的冶金结合;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速率为3mm/s和4mm/s时熔覆过程中较为合适的功率分别为1.6kW和1.87kW。研究结果对工艺参量的优化和控制熔覆层稀释率提供了借鉴和指导作用。     

激光作用双层材料产生瞬态温度场的数值模拟

从经典热传导方程出发,建立了单个短脉冲激光作用双层材料的二维轴对称物理模型,在考虑材料热物理参数随温度变化的基础上,采用有限元方法模拟了材料的瞬态温度场,得到了激光作用中和作用后铝-玻璃系统的温度时空分布.数值研究结果表明,在激光作用期间,系统表面的温度分布主要取决于作用激光的能量分布特性,并且金属材料的趋肤效应导致系统在厚度方向的温升范围很浅;在激光作用后,系统内部的热量在热传导作用下从高温区移向低温区,并且厚度方向的温升范围随着表面温度降低而不断扩大,但由于铝的热传导系数比玻璃大得多,所以温升主要停留在铝膜层.     

激光烧结陶瓷温度场的数值模拟

根据热传导理论，推导出了激光烧结陶瓷过程中的热传导方程;并采用数值模拟的方法，编写了基于有限差分法的计算机程序。在此基础上，分别模拟计算了在各种不同的烧结工艺条件下，CO2激光辐照Al2O3陶瓷的温度场,结果表明,采用激光辐照的办法烧结陶瓷可以使陶瓷在短时间内达到很高的温度。此外，还计算了烧结过程中材料的温度随空间的变化曲线,结果表明,平行于激光辐照方向的温度梯度大小不随烧结时间变化而只与激光功率有关，激光功率越大温度梯度越大。研究还发现：垂直激光辐照方向的温度梯度的大小取决于激光束的功率密度分布和光斑大小。     

双透明材料激光透射焊接温度场的数值模拟

近年来,透明材料的激光透射焊接成为国内外研究的热点.本研究通过在透明材料界面制备低熔点薄膜来增大透明材料对激光的吸收率,从而实现双透明材料的激光焊接.本文构建了一个3D数值模型,数值模拟结果与实验测试吻合较好.另外,还研究了激光焊接过程中温度场的变化过程,并对进一步研究了激光焊接工艺参数对温度场的影响.     

接触热阻对薄板零件表面激光淬火温度场形成影响研究

激光淬火工艺具有节能环保、质量高的优点。研究薄板零件激光淬火时所形成的温度场对将激光淬火应用于薄板零件表面强化的实际工作中具有重要的作用。本文通过对45钢和铸铁HT250之间接触面的接触热阻进行实验测试,通过数据分析得出了相应的接触热阻经验关系式。利用Abaqus软件模拟薄板表面激光淬火,其中将实验所得的接触热阻经验关系式代入,得到了相应薄板表面淬火温度场。通过与不考虑接触热阻的零件表面淬火温度场仿真结果进行对比,得出了接触热阻对薄板零件表面激光淬火所形成的温度场的影响。研究成果可对薄板表面激光淬火工艺应用于实践提供指导。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。     

激光填丝多层焊温度场和应力场的数值模拟

基于有限元计算软件MARC,对16 mm厚低合金高强钢激光填丝多层焊温度场和应力场进行了三维数值模拟。利用生死单元法,采用热流密度线性衰减高斯圆柱热源模拟匙孔效应,双椭球模型模拟焊丝受热过程。计算结果与实际结果对比,两者基本吻合。计算结果表明,层间保温能够有效降低接头冷却速度,减小激光填丝焊残余应力,改善厚板多层焊接头性能;多层焊应力集中主要位于中下部焊道及其热影响区;焊接中坡口有收缩趋势,焊后工件有一定角变形。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。     

空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟

针对航空发动机空心涡轮叶片激光快速成形(LRF),建立了温度场/应力场瞬态模型,采用有限单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程.采用随动强化及米塞斯屈服准则进行了热弹塑性分析,通过间接耦合模拟了TC4钛合金空心叶片激光快速成形的温度场/应力场演变过程.结果分析表明,在TC4钛合金空心叶片激光快速成形过程中,随着熔池的移动和成形高度的增加,温度场和应力场动态演化,其中由于基座的冷却及约束作用和熔池加热及应力释放作用,激光快速成形空心叶片温度和应力/应变场沿高度(z轴)方向呈梯度分布.温度场上高下低,散热方向从上至下,从熔池到基座;应力场下高上低,叶根等效应力最大.空心叶片激光快速成形结束冷却到室温,残余应力与熔覆过程应力分布规律基本相同,只是叶片顶部等效应力有所提高.     

基于体热源的激光透射焊接PA66温度场模拟

目前国内激光透射焊接温度场模拟大多采用面热源,无法考虑炭黑含量的影响。为此,文中使用Ansys的APDL语言构建了基于体热源的三维瞬态有限元模型,采用该模型对PA66的激光透射焊接温度场进行了模拟,并将模拟结果与面热源下的模拟结果、实验结果分别进行对比。结果发现,由体热源模型模拟得到的焊缝热影响区形貌与实际热影响区形貌较为接近,模型预测的热影响区尺寸也与实测值保持着较高的吻合度,表明体热源能较好地表征炭黑含量对焊接结果的影响,并在温度场模拟方面明显优于面热源。