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板料激光加热三维瞬态温度场的数值模拟

2013-01-20 10:38
林契于宸
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  考虑了对流、辐射以及材料的热物性与温度的相关性,建立了板料激光加热时三维瞬态温度场的数学模型,用小步距间歇跳跃式移动光源来代替激光束的连续扫描,对该温度场进行了非线性有限元数值模拟,并将模拟结果与其它模型的结果进行了比较,为进一步定量分析板料的热变形提供了依据。

  近年来,金属塑性加工界出现了一种利用激光扫描板料时形成的非均匀温度场所导致的热应力来实现板料成形的方法。为了分析成形时板料的力学行为,以选择合理的工艺参数,应深入研究激光加热时的三维瞬态温度场。虽然国内外在温度场分析方面已经做了很多工作,但一般将其简化为稳态或准稳态过程,以求得近似解析解或有限差分数值解,这些结果对于进一步的形变分析尚远远不够。作者考虑了对流、辐射以及材料的热物性与温度的相关性,用小步距间歇跳跃光源来代替激光束的连续扫描,对该温度场进行了有限元数值模拟,为力学行为的分析提供了依据。

  1 热传导方程及定解条件

  板料激光成形是在材料的熔点之下进行的,光斑下的热潭尚呈固态,没有固液界面的对流换热问题,动热源引起的对流项可以忽略不计,此时其温度场可用各向同性材料的热传导方程来描述。在图1所示静止坐标系中,方程

  式中:ρ为材料密度(kg/m3);c为材料比热(J/kg℃);T为温度(℃);t为时间(s);k为热传导系数(W/m℃);为拉普拉斯算子。

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