激光表面微结构加工过程数值模拟研究

发布时间：2023-05-19 17:41

　　由于表面微结构可以提高材料的摩擦性能、生物医学性能以及光学性能,因此表面微结构在微电子、国防、生物、先进制造业等高技术领域具有广泛的应用。表面微结构加工技术有多种,其中以激光为热源的表面微结构加工技术,由于其优良的可控性、效率高、运用范围广、污染小等优点受到了越来越多的关注与使用。目前关于激光表面微结构加工的实验研究已有很多,但是由于实验现象比较复杂,只通过分析实验结果来研究激光表面微结构加工过程是不够的,因此需要进行一些数值模拟来研究材料变形过程的热学与力学效应,解释激光与材料的相互作用机理过程。本文以表面微结构的广泛应用为背景,运用COMSOL有限元分析软件,建立一种基于温度依赖性表面张力的二维有限元模型,研究了激光与材料相互作用过程中表面张力法向应力和表面张力切向应力对表面形貌的影响。并在此理论研究基础上研究了激光能量密度分布对表面形貌的影响,分别建立了激光能量密度高斯分布和均匀分布条件下的数值模型。通过对数值模拟结果的观察得出以下结论:1.激光表面微结构加工过程中,表面张力切向应力梯度的正负对流体流动、表面峰值温度以及表面形貌有着显著的影响。当表面张力切向应力梯度分别为大于零、...

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 表面微结构加工方法
    1.3 激光表面微结构加工的研究意义
    1.4 国内外研究现状与发展趋势
        1.4.1 国外研究进展
        1.4.2 国内研究进展
    1.5 课题研究的目的、内容和意义
第二章 激光表面微加工过程理论研究
    2.1 COMSOL传热模块
        2.1.1 激光表面微结构加工温度变化过程
        2.1.2 相变潜热
    2.2 COMSOL流体力学模块
        2.2.1 固液相处理方法
        2.2.2 马兰戈尼对流
    2.3 熔池自由变形
    2.4 数值模型创建
        2.4.1 模型假设
        2.4.2 模型边界条件设定
        2.4.3 模型建立
第三章 热毛细力对表面形貌的作用
    3.1 热毛细力对表面形貌影响
        3.1.1 考虑热毛细力和表面张力法向应力共同作用条件下的熔池变化
        3.1.2 表面张力法向应力单独作用下的熔池变化
        3.1.3 表面形貌曲线图
    3.2 热毛细力的改变对表面形貌的影响
        3.2.1 表面张力梯度的正负对表面形貌的影响
        3.2.2 表面张力梯度绝对值大小的改变对表面形貌的影响
    3.3 小结
第四章 表面张力法向应力的改变对表面形貌的作用
    4.1 表面张力的有无对表面形貌影响
        4.1.1 不考虑毛细力和表面张力法向应力条件下的熔池形貌变化
        4.1.2 表面形貌曲线图
    4.2 表面张力大小的改变对表面形貌的影响
        4.2.1 表面张力梯度为负条件下的模拟结果
        4.2.2 表面张力梯度为正条件下的模拟结果
    4.3 小结
第五章 激光能量分布对材料表面形貌影响
    5.1 激光能量分布模型建立
    5.2 激光能量高斯分布与均匀分布条件下数值模拟
    5.3 激光能量密度不同分布情况下模拟结果对比
    5.4 总结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录 攻读硕士学位期间所发表的学术论文



本文编号：3819795