金屬板激光加熱時的溫升、應力、應力波動和塑性區(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的溫升、應力和變形等問題的計算模型，使用該模型對激光加熱過程中的關鍵問題進行了計算和分析。 基于傳熱學和有限元法建立了激光加熱金屬板的溫升計算模型，計算了金屬板受到能量的時空分布不同的激光加熱時溫升，并分析了導致溫升差異的原因，指出了高能長脈沖激光在加熱效率上的優(yōu)勢。進而通過數(shù)值求解傳熱學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，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稱有限元計算模型，計算了金屬受激光加熱過程中溫升和熱應力，分析了在激光加熱過程中熱膨脹和熱軟化的共同作用對于熱應力的影響，提出了“環(huán)箍效應”解釋高斯激光束導致的熱應力分布的特征。使用熱彈塑性本構(gòu)關系和增量有限元法建立了移動激光光源掃描金屬板的三維計算模型，計算得到了金屬板在激光掃描加熱過程

3、中溫升、應力和變形的三維分布，進而使用“環(huán)箍效應”的原理對應力場的分布與變化原因進行了解釋。 根據(jù)激光靜態(tài)加熱過程中應力出現(xiàn)的波動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)是熱膨脹、熱軟化逐漸加劇導致的，且與金屬板內(nèi)部塑性區(qū)域的發(fā)展演化密切相關。針對激光靜態(tài)加熱金屬過程中塑性區(qū)域的產(chǎn)生、擴散直至貫穿板厚的過程，提出“塑性穿透”來對其進行描述，并定義了塑性穿透時間、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、。 對溫度梯度機理下激光掃描加熱鋼板時應力出現(xiàn)波動原因進行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)該應力波動主要是由光斑移動造成“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；進而通過計算得到了塑性應變的分布特性及其隨激光熱源移動的演化規(guī)律。 本文的研究結(jié)果能夠為激光加熱金屬板過程中的溫升、應力和變形等進行分析和預測提供理論依據(jù)，進而增進對激光加熱金屬板過程中產(chǎn)生的熱學及力學現(xiàn)象的理解和認識，