激光与材料热作用的数值模拟研究

用有限差分方法数值模拟了激光对材料加热作用的过程。建立了激光材料中激发瞬态温度场的隐格式有限差分模型，该模型考虑了激光作用过程中材料的热物理参数依赖于温度的特性，得到了材料中瞬态温度场分布曲线。获得了材料中瞬态温度场分布集中于一个非常小的区域的结论，为激光加工及激光超声的产生提供了理论基础。     

激光激发板状材料中超声导波的有限元数值模拟

材料表面吸收激光辐照的能量后，产生瞬态温度场，引起表面层的局部热膨胀，产生超声波沿不同方向传播。激光超声具有非接触、宽频带、多模态的特点，提供了材料的弹性性质和材料无损检测的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的特性，用有限元方法数值模拟激光在板状材料中激发瞬态温度场，建立热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型。数值模拟的结果表明：材料中瞬态温度场分布在材料的表面层的非常小的区域，温升区域是产生超声的体源。分析近场和远场接收的超声导波的表面波形的传播特征，讨论激光输入参数和激光产生超声波特征之间的关系，为热弹条件下材料性能的激光超声检测提供了定量的基础。     

激光作用于圆管产生瞬态温度场的数值模拟

用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于管状材料时产生的温升情况。有限元模型考虑了激光作用过程中的热物理参数随温度变化的特性,得到了材料中各个点的瞬态温度场,也得到了有温升的范围,并给出了温度随径向和周向的分布曲线,为热弹条件下激光激发管状材料中超声导波的研究提供了定量基础。     

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。     

金属管材中周向激光热应力场的有限元分析

在激光超声的研究中,基于得到的温度场分布,把温度场作为新的加载,用有限元结构分析法数值模拟了金属圆管中脉冲激光线源产生的热应力场情况,得到了铝管中周向不同时刻的瞬态应力场,分别给出了在激光作用过程中温度上升阶段和温度下降阶段的周向正应力的等值图分布情况.数值结果表明:周向拉应力最大值处在激光作用区域边缘处,压应力在材料表面激光作用区域中心最大.     

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.     

钛合金薄板激光对接焊温度场的数值模拟

为了分析激光对接焊TC4钛合金薄板的焊接过程,以ANSYS软件为平台采用有限单元法建立了非线性瞬态热传导模型,模拟计算了焊接时的3维瞬态温度场;数值模拟过程中考虑了材料热物理性能参量的温度依存性,并利用APDL语言编程实现了移动高斯分布面热源模型的加载。结果表明,激光焊接过程中的温度场由非稳态到稳态,最终呈现出流星状的稳定分布,焊缝附近等温线密集,焊缝的热影响区小;模拟得到的焊缝形状与试验获得的焊缝形状相吻合;模拟获得的400℃临界温度以上区域的尺寸范围为42.00mm10.56mm。该研究验证了模拟方法的正确性,为焊接保护装置设计提供了依据。     

激光烧结Si／Fe混合粉末材料的温度场有限元模拟

利用ANSYS工具建立了选择性激光烧结热电功能材料β-FeSi2的三维瞬态温度场有限元模型,模型中考虑了混合材料热物性参数随温度与孔隙率的变化和材料相变过程对温度场的影响。系统分析了选择性激光烧结二元粉末内部温度场随时间和空间的变化规律,通过该有限元模型可以分析二元粉末激光烧结过程中激光热能在粉床内部的传输规律。模拟结果表明,随烧结深度增加,粉床内部温度和温度梯度迅速衰减,粉床内部温度场在深度方向呈漏斗状梯度分布,粉层内部热影响区域最深的位置滞后于激光束中心。在已烧结区域,粉层内部存在一个均匀分布的高温体积区间。对此粉层区域温度的研究将为实验中控制烧结材料相变过程与性能提供依据。     

强脉冲激光金属表面烧蚀热场的数值仿真

用有限差分法对强脉冲激光难熔金属表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值仿真计算。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。文章应用交替方向隐式方法建立差分方程,对该数学模型进行计算,数值模拟了难熔金属钛、钼在强脉冲激光烧蚀下的温度场变化,并将数值解与热导方程的解析解进行了分析     

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。     

基于生死单元的激光铣削温度场数值模拟与验证

利用ANSYS 有限元模拟软件建立了激光铣削过程的三维瞬态有限元模型,并以Al2O3 陶瓷材料的激光铣削加工为例,利用ANSYS 中的单元生死技术对激光铣削过程中温度场的动态分布进行了模拟。选取其中的一组参数,详细分析了铣削件表面某一点温度场的变化规律,确定了沿样件不同的扫描路线上铣削层的宽度和深度,并提出了温度场模拟结果的间接验证方法,即将温度场模拟获得的铣削层宽度和深度与实验测得的数据进行对比,对比结果较吻合,说明建立的有限元模型能够进行激光铣削效果的预测。     

切向气流下激光对旋转靶热烧蚀的数值模拟

针对连续激光辐照表面存在切向气流的旋转靶目标,数值求解温度场分布以及热烧蚀效应。首先,综合切向气流、固液相变和目标旋转的影响,给出柱坐标下三维瞬态热传导方程,建立激光对旋转靶目标的热烧蚀模型。其次,分析热烧蚀过程中,物质在固态、固液态和液态之间的转化关系,提出一种改进的“单元生死法”处理旋转烧蚀过程中的边界移动问题,并采用有限容积法数值求解热烧蚀模型。最后,数值模拟温度场分布和热烧蚀效应,分析靶目标旋转速率对温度场分布和热烧蚀效应的影响。分析结果表明:靶目标的旋转,导致最大烧蚀深度不断减小,圆柱面的烧蚀区域逐渐增加,并对温度场分布产生一定影响。     

激光辐照Si-CCD热力效应的研究

由于光电探测器吸收激光后的温升、以及由于温升造成的各种现象,均能使探测器遭受到不同程度的损伤.丈中利用热弹性理论对氧碘激光器辐照硅材料进行研究,建立二维平面模型,通过解析计算得到由激光辐照半导体材料引起的温度场和应力场的瞬态分布.     

TiAl合金表面多道搭接激光重熔温度场数值模拟

为了研究多道搭接对激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层熔化的影响,根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,在已有的单道激光重熔温度场模型基础上,建立了TiAl合金表面多道搭接激光重熔连续移动三维温度场有限元模型.温度场的分析结果表明:由于激光扫描的热积累效应,重熔过程中试样的温度越来越高,熔池也越来越大,各扫描道之间存在明显的差异,因此不能获得熔化均匀且稀释率小的高质量重熔层.采用逐道减小激光功率或增大扫描速度的策略可以获得大体相同的各扫描道熔池;采用预热试样法同样可以有效地减轻各扫描道之间熔池的差异.