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.     

激光线源作用于铝管产生温度场梯度的有限元分析

用有限元方法数值分析了激光线源作用于铝管时产生的温度场梯度,给出了不同时刻切向和法向温度梯度等值线分布。数值结果表明:材料内部温度分布极不均匀,产生很大的温度梯度;切向温度梯度沿径向在样品的表面区域达到最大,沿周向在激光强度的空间分布变化最明显的位置值最大;法向温度梯度的最大值点沿径向随时间推移逐渐向材料内部移,沿周向在激光线源中心处最大。     

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。     

环状激光作用于薄管产生温度场的有限元模拟

为了提高激光在管道中激发超声波的效率,基于激光超声的热弹激发理论,建立了环状激光源作用于薄管中的有限元模型,采用有限元方法,数值模拟了环状激光脉冲作用于铝管内壁时产生的瞬态温度场,得到了铝管内部温度随时间变化的曲线和不同时刻温度沿径向、轴向的变化曲线,并进一步分析了铝管内温度梯度的形成及随时间、沿径向的变化规律。结果表明,激光产生的瞬态温度场建立极其迅速,整个过程仅持续几十纳秒,该过程产生的温度梯度非常大,因此环状激光源可在铝管中激发很强的超声波;同时,由于温度梯度分布在整个圆周上,因而形成的导波衰减慢,可在周向、轴向上实现大范围超声检测。该结果对热弹条件下激光在管道中激发超声导波的研究有一定参考作用。     

金属材料脉冲激光辐照瞬态温度场数值模拟研究

为了研究脉冲激光辐照金属材料时温度场的变化,采用有限元模拟软件对激光辐照材料的过程进行了模拟。得到了激光辐照过程中,材料表层及内部的瞬态温度场的变化情况。结果表明,在脉冲激光辐照金属材料过程中,激光热作用时间很短,热影响区仅限于激光光斑作用区域的材料表层。     

脉冲激光辐照金属材料表面瞬态温度场研究

建立了脉冲激光辐照金属材料表面的热学模型,通过拉普拉斯变换法求解了热传导方程,得出金属材料在激光辐照下加热和冷却过程瞬态温度场分布的精确解析解.基于Visual C++编程并实现界面化,实现对于具体材料激光辐照下瞬态温度场的预测和分析.并以纯铝的激光熔覆和镁合金的激光熔凝实验为例,验证了瞬态温度场的分布.结果表明,金属材料在一个脉冲时间内温度随激光辐照时间的增加而升高,辐照结束后,表面温度迅速下降,内部温度下降较慢.分析结论与相关实验结果基本吻合,证实了所建模型的合理性.该结论对其它激光表面处理过程具有一定的指导作用.     

基于有限元分析法的激光剥离技术中GaN材料瞬态温度场研究

用有限元分析法模拟计算Al2O3／GaN的激光剥离，分析了采用不同能量密度脉冲激光辐照时GaN材料内的瞬态温度场分布。采用波长248nm的KrF准分子激光器对Al2O3／GaN样品进行激光剥离实验。实验结果与有限元数值模拟结果一致。分析了影响GaN材料温度场分布的因素，在激光光源一定的条件下，温度随时间和深度变化较快。在实现激光剥离时，脉冲激光的能量密度应不低于阈值条件，但为了避免温度过高对器件产生损伤，脉冲激光的能量密度存在上限。多脉冲激光辐照时，脉冲频率是另一关键参量，计算得到了不同能量密度的脉冲激光辐照时频率的选取范围。     

脉冲激光辐照金属板温度场应力场数值分析

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点,基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟,得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明,在脉冲激光扫描加热作用下,金属表面发生多次熔化和凝固,温度时间曲线呈锯齿形;重熔区域应力场变化剧烈,随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动;金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力,纵向应力达799MPa,横向应力达700MPa。     

激光线源宽对铝管中温度场的影响

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于铝管时产生的温升情况,比较了激光线源宽对温度场的影响,结果表明;相同激光能量情况下线源越窄温升会越高,但除激光作用区域外在径向和周向的热扩散有效长度不变.     

激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的“单元生死”技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。     

双层管状材料在脉冲激光作用下的二维温升模拟

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于镍薄膜铝基底这种双层圆管状材料时产生的温升情况 ,在考虑材料的热物理参数随温度变化的基础上得到了薄膜和基底中各个点的瞬态温度场 ,并分别给出了薄膜和基底中的温度随周向在各个不同时刻的分布曲线 ,为热弹条件下激光激发薄膜 -基底式圆管状材料中超声导波的研究工作提供了定量基础     

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。     

强激光武器辐照弹道导弹温度场数值模拟

强激光武器的出现和投入实战对弹道导弹的生存造成了严峻的威胁。根据激光武器的特性和作战机理,分析了导弹壳体上激光辐照强度的影响因素,得到了导弹壳体上激光辐照强度的计算公式,从而计算出了不同作战距离下的激光辐照强度和光斑半径;建立了机载激光武器(ABL)照射弹道导弹壳体的有限元模型,得到了不同作战距离下弹道导弹被打击后内外壁面的温度分布以及内外壁面温度随时间的变化曲线。以上计算模型及计算结果为激光武器对弹道导弹的毁伤效应分析和激光防护方面的研究提供重要参考。     

基于有限元的脉冲激光辐照材料温度场研究

在激光超声检测过程中,为了合理加载脉冲激光的能量,以便获得幅值较大的超声波信号,同时避免脉冲激光造成材料的损伤,需要对脉冲激光辐照材料的温升进行数值计算。依据有限元理论,建立脉冲激光辐照材料的有限元模型,结合导热微分方程,将脉冲激光以热流密度的形式加载于材料表面,分析材料表层受激光辐照时的温度场,讨论有限元热分析时网格尺寸的选取对分析结果的影响。给出了材料表层受脉冲激光辐照时温度场的计算方法和网格尺寸的选择依据,并利用温度场的理论解析结果和应力场分析结果分别验证了温度场有限元计算方法的正确性和有效性。     

基于激光超声在高温下对超声波声速的数值模拟

超声波声速对于缺陷检测和材料特性表征有着直接影响,因此,研究不同温度下声速的变化规律十分重要。本文通过有限元法对不同温度下激光点源激发的纵波、横波、声表面波的传播速度进行了数值模拟,并得到纵波、横波、声表面波声速与温度的关系式。根据所得到的表达式,反推出了在高温下的泊松比与弹性模量。结果表明:纵波、横波、声表面波声速随温度升高呈现线性降低关系,且随温度的变化率分别为0.8374 m·s-1· ℃-1、1.203 m·s-1· ℃-1、1.096 m·s-1· ℃-1。根据所得到声速与温度的表达式反推出高温下的弹性模量、泊松比,通过与理论值比较发现误差分别为3.16%、4%。     

圆管中激光激发表面瑞利波极性的有限元分析

用有限元方法数值模拟了脉冲线源激光作用于厚铝管时产生的温升以及由此温升而产生的表面声波的情况,得到了逆时针向探测点和波源之间角度从=5°到=180°范围内一系列表面法向位移的时域波形,并对相同厚度不同外径的铝管的表面波进行对比。数值结果表明表面声波中显著的波为掠面纵波、头波和瑞利波,第一个瑞利波脉冲的极性在传播过程中发生了倒转现象,逆时针向看探测点离波源的角度,当较小时瑞利波脉冲是单极性的(负的),随着角度的增大,瑞利波脉冲逐渐变为双极性的,且双极性中正向极性逐渐增大,到=90°时变为完全双极性(正向和负向对称)。随着角度的进一步增加,双极性中负向极性逐渐减小,到=180°时瑞利波脉冲又变为单极性(正的)。不考虑衍射效应时,圆管中第一个瑞利波脉冲的极性和试样的尺寸无关,仅和探测点离波源的角度相关。