金屬板激光加熱時(shí)的溫升、應(yīng)力、應(yīng)力波動(dòng)和塑性區(qū)演化.pdf

1、本文使用有限元法建立了金屬板受到激光加熱時(shí)的溫升、應(yīng)力和變形等問題的計(jì)算模型，使用該模型對(duì)激光加熱過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了計(jì)算和分析。 基于傳熱學(xué)和有限元法建立了激光加熱金屬板的溫升計(jì)算模型，計(jì)算了金屬板受到能量的時(shí)空分布不同的激光加熱時(shí)溫升，并分析了導(dǎo)致溫升差異的原因，指出了高能長脈沖激光在加熱效率上的優(yōu)勢。進(jìn)而通過數(shù)值求解傳熱學(xué)逆問題確定了金屬材料的吸收率，比較了不同的吸收率模型得到的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明：在激光加熱金屬致固液兩

2、相物態(tài)時(shí)，使用組合吸收率求解溫升問題不僅具有較高的精度且更方便和高效。 使用熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系和增量有限元法，建立了激光靜態(tài)加熱金屬板的空間軸對(duì)稱有限元計(jì)算模型，計(jì)算了金屬受激光加熱過程中溫升和熱應(yīng)力，分析了在激光加熱過程中熱膨脹和熱軟化的共同作用對(duì)于熱應(yīng)力的影響，提出了“環(huán)箍效應(yīng)”解釋高斯激光束導(dǎo)致的熱應(yīng)力分布的特征。使用熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系和增量有限元法建立了移動(dòng)激光光源掃描金屬板的三維計(jì)算模型，計(jì)算得到了金屬板在激光掃描加熱過程

3、中溫升、應(yīng)力和變形的三維分布，進(jìn)而使用“環(huán)箍效應(yīng)”的原理對(duì)應(yīng)力場的分布與變化原因進(jìn)行了解釋。 根據(jù)激光靜態(tài)加熱過程中應(yīng)力出現(xiàn)的波動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)是熱膨脹、熱軟化逐漸加劇導(dǎo)致的，且與金屬板內(nèi)部塑性區(qū)域的發(fā)展演化密切相關(guān)。針對(duì)激光靜態(tài)加熱金屬過程中塑性區(qū)域的產(chǎn)生、擴(kuò)散直至貫穿板厚的過程，提出“塑性穿透”來對(duì)其進(jìn)行描述，并定義了塑性穿透時(shí)間、塑性影響區(qū)、塑性影響區(qū)寬度和深度等物理量定量描述激光加熱金屬過程中塑性區(qū)域的發(fā)展演化過程和影響范圍

4、。 對(duì)溫度梯度機(jī)理下激光掃描加熱鋼板時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)原因進(jìn)行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)該應(yīng)力波動(dòng)主要是由光斑移動(dòng)造成“冷區(qū)域”和“熱區(qū)域”不斷變化以及掃描過后材料的冷卻收縮造成的，是與塑性區(qū)域的發(fā)展變化相伴出現(xiàn)的；進(jìn)而通過計(jì)算得到了塑性應(yīng)變的分布特性及其隨激光熱源移動(dòng)的演化規(guī)律。 本文的研究結(jié)果能夠?yàn)榧す饧訜峤饘侔暹^程中的溫升、應(yīng)力和變形等進(jìn)行分析和預(yù)測提供理論依據(jù)，進(jìn)而增進(jìn)對(duì)激光加熱金屬板過程中產(chǎn)生的熱學(xué)及力學(xué)現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，