激光切槽流体场与温度场耦合系统建模与仿真

发布时间：2017-11-19 21:00

  本文关键词：激光切槽流体场与温度场耦合系统建模与仿真

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【摘要】：连杆裂解新技术凭借其高精度、高效率等优势在国内外市场得到广泛重视和应用。连杆裂解首先要在连杆大头预定断裂位置加工两条形状、位置对称的裂解槽，再施以垂直于预定断裂面的正应力载荷，裂解槽附近形成应力集中，连杆大头在低应力下发生脆性断裂，最后利用三维自然断裂面作为定位及结合面，完成高精度装配。裂解槽作为实现连杆裂解生产中脆性断裂剖分的必要条件之一，其尺寸及加工方法都会对裂解质量产生影响。脉冲激光切割是目前最先进的裂解槽加工方法。 激光切割是将激光高能量会聚在被加工工件表面使其熔化甚至汽化，并由辅助气体将熔融金属及金属蒸汽带出以形成切口的加工方法。激光切割作用机制较复杂，且脉冲激光切割裂解槽属盲槽加工，加工精度及质量易受到材料本身性质、激光参数、加工参数及辅助气体参数等因素的影响。 本文针对脉冲激光加工单一匙孔过程的作用机理进行分析探讨，综合考虑辅助气体流场与温度场的交互作用，完成数值模型的建立，实现匙孔成形过程的模拟。进而分析气体参数及激光参数对匙孔成形尺寸及质量的影响，为提高裂解槽乃至裂解质量，降低产品缺陷率提供依据。且脉冲激光也广泛应用于打孔、刻痕等其他精密加工领域，因此对脉冲激光加工匙孔过程的分析对相关精密加工领域都具有指导意义。 本文的主要研究工作及取得的成果如下： （1）针对单一匙孔成形过程完成了数值模型的建立，其中利用二次开发程序进行编程，完成了深度自适应热源模型的建立。综合考虑了辅助气体流场和温度场在成形过程中的作用及相互影响，通过模拟再现了在二者共同作用下匙孔的成形过程，并通过实验验证了模拟的有效性； （2）分析了切割过程中辅助气体流场的结构特点和作用，结果表明：辅助气体从喷嘴喷出后迅速膨胀，大部分气体从喷嘴两侧逸出，少部分气体撞击到工件表面，其中一部分进入匙孔中促进匙孔成形。在流动过程中，会在喷嘴两侧及匙孔周围形成较强的湍流，影响气体的流动及除渣作用。当匙孔内流出气体与来流气体强烈地相互干涉时会形成马赫盘，马赫盘的产生阻碍了气体流入匙孔，减弱了气体的有效作用并降低了其利用率； （3）利用单因素变量法，研究了不同辅助气体入口压力和背压力下辅助气体流场的分布特征及其对匙孔成形尺寸及成形质量的影响。结果表明：入口压力在一定范围内的增加会导致气体压力和速度上升，辅助气体除渣能力增强，所得匙孔尺寸有所增加，但当压力过大时，由于涡流等因素的影响，气体速度下降，匙孔尺寸有所减小且挂渣情况略有恶化。在较小范围内提升背压力可提高辅助气体利用率，改善匙孔底部成形，但会减小匙孔直径，，且当背压力较大时，气体速度明显降低，匙孔形成效果较差； （4）分析了激光加工过程中温度场的动态变化及热源模型随模拟时间进行的更新情况，验证了激光加工能量集中、热影响区小的特点； （5）分析了激光功率和焦点半径对温度场、匙孔尺寸及质量的影响，并探讨了气体参数对温度场的影响。结果表明：激光功率的增加可显著增大匙孔尺寸，但当功率过大时，挂渣情况略有恶化。焦点半径的减小可使能量输入更集中，令匙孔深度加深、直径减小，但匙孔直径过小影响了辅助气体在匙孔中的作用，使匙孔深度略有下降。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG485

【参考文献】

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本文编号：1204858