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金属板激光加热时的温升、应力、应力波动和塑性区演化

【摘要】: 本文使用有限元法建立了金属板受到激光加热时的温升、应力和变形等问题的计算模型,使用该模型对激光加热过程中的关键问题进行了计算和分析。 基于传热学和有限元法建立了激光加热金属板的温升计算模型,计算了金属板受到能量的时空分布不同的激光加热时温升,并分析了导致温升差异的原因,指出了高能长脉冲激光在加热效率上的优势。进而通过数值求解传热学逆问题确定了金属材料的吸收率,比较了不同的吸收率模型得到的计算结果,结果表明:在激光加热金属致固液两相物态时,使用组合吸收率求解温升问题不仅具有较高的精度且更方便和高效。 使用热弹塑性本构关系和增量有限元法,建立了激光静态加热金属板的空间轴对称有限元计算模型,计算了金属受激光加热过程中温升和热应力,分析了在激光加热过程中热膨胀和热软化的共同作用对于热应力的影响,提出了“环箍效应”解释高斯激光束导致的热应力分布的特征。使用热弹塑性本构关系和增量有限元法建立了移动激光光源扫描金属板的三维计算模型,计算得到了金属板在激光扫描加热过程中温升、应力和变形的三维分布,进而使用“环箍效应”的原理对应力场的分布与变化原因进行了解释。 根据激光静态加热过程中应力出现的波动现象,发现是热膨胀、热软化逐渐加剧导致的,且与金属板内部塑性区域的发展演化密切相关。针对激光静态加热金属过程中塑性区域的产生、扩散直至贯穿板厚的过程,提出“塑性穿透”来对其进行描述,并定义了塑性穿透时间、塑性影响区、塑性影响区宽度和深度等物理量定量描述激光加热金属过程中塑性区域的发展演化过程和影响范围。 对温度梯度机理下激光扫描加热钢板时应力出现波动原因进行了分析和研究,发现该应力波动主要是由光斑移动造成“冷区域”和“热区域”不断变化以及扫描过后材料的冷却收缩造成的,是与塑性区域的发展变化相伴出现的;进而通过计算得到了塑性应变的分布特性及其随激光热源移动的演化规律。 本文的研究结果能够为激光加热金属板过程中的温升、应力和变形等进行分析和预测提供理论依据,进而增进对激光加热金属板过程中产生的热学及力学现象的理解和认识,从而提高激光的应用效率及激光加工的控制精度。

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