基于能量分布的激光热源模型建立及其仿真应用研究

发布时间：2020-02-13 11:15

【摘要】：激光制造技术已成为二十一世纪一项不可或缺的制造技术。为了进一步揭示激光加工过程中激光与材料的相互作用机理、预测加工过程、优化加工工艺参数等,国内外诸多研究者对激光加工仿真分析的研究工作也在不断深入。激光热源模型描述了激光与材料相互作用时的能量分布,是仿真分析过程中主要数学模型之一,决定着仿真分析结果的准确性。因此,激光热源模型的建立与应用成为了一项至关重要研究工作。本文提出了一种基于激光能量分布建立激光热源模型的新方法,即运用激光能量分布检测数据建立了一种阶梯式激光热源模型,该模型能够更为准确地描述激光与材料相互作用时的实际能量分布。并通过软件开发的形式将该模型运用于激光加工仿真分析软件。最后以能量偏心激光光束裂纹控制法切割钠钙玻璃为例,进行阶梯式热源模型在有限元仿真分析中的研究。根据激光原理、激光与材料相互作用等基础理论,对激光热源模型的建立与仿真分析应用进行理论分析。以高斯激光光束为例,由实际加工过程中激光光束出现能量偏心分布、变形及多光斑的情况,分别建立相应热源模型,通过有限元仿真分析,研究能量分布对温度场仿真结果的影响,分析基于激光实际能量分布建立热源模型的必要性。基于数字图像处理技术,研究如何运用激光能量分布检测数据建立热源模型。基于能量分布研究了阶梯式激光热源模型的自动生成算法,包括能量分布数据处理算法、能量分布离散数据参数化算法以及热源模型建立算法等。并通过激光定点加热Q235钢板温度场测量试验及有限元仿真进行阶梯式热源模型验证。开发激光加工仿真分析前处理辅助软件,设计并实现阶梯式热源模型、理想热源模型的自动建立及其在ABAQUS软件的自动定义,并基于二次开发简化仿真分析前处理建模过程,实现自动编译Python脚本语言及DFLUX子程序,建立高效、便捷、友好的激光加工仿真分析建模环境。针对能量偏心分布激光光束,研究阶梯式热源模型在有限元仿真中的应用。以激光裂纹控制法切割钠钙玻璃为例,利用阶梯式热源模型自动建立算法及激光加工仿真分析前处理辅助软件,建立了阶梯式热源模型与理想高斯热源模型,对温度场、动态裂纹扩展进行仿真分析。并进行对称直线切割试验研究,通过试验结果与仿真分析结果对比,分析阶梯式热源模型的正确性及其优势。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论背景及研究意义以其效率高、功率易调节、加工过程中无力的作用等特点，被制造领域。激光制造技术经过几十年的发展，迄今已经囊括诸连接技术、激光去除与分离技术、激光表面技术、激光成型技“不可或缺的关键技术[2]”。激光制造技术的理论基础为激光是一个复杂的过程，它既包含宏观上的光与材料介质相互作、折射、吸收、色散和损耗等，同时包含微观上的量子过程[3]料相互作用示意图[4]。

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如 ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等开发[11-13]。但通过这些途径进行仿真分析时，是激光热源模型的定义，涉及计算机编程及仿高。因此，为了简化仿真建模步骤，提高仿真要对激光热源模型的应用及简化仿真分析过型及其仿真应用概述描述的是激光能量作用于材料及材料对激光光器产生的激光光束在传输一段距离后作用于面产生不同的激光能量分布；2）被照射的材光能量被反射到周围环境中，其余能量被材发生相互作用，使得相互作用区域产生不同的学模型便是激光热源模型，4）与激光产生相能量传递给其他部分材料，即材料的传热过程过程中激光热源模型既描述了激光经过传递传热过程的热源，，是衔接激光特性与材料传
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG665

【参考文献】