选区激光烧结瞬态温度场模拟与测试方法研究

采用有限元方法,考虑实际的边界条件和热物性参量的变化,对Al2O3覆膜陶瓷粉末的选区激光烧结过程瞬态三维温度场进行动态模拟.通过比色测温法对红外热成像系统的发射系数进行修正后,对选区激光烧结过程瞬态温度场进行测试.数值模拟和实测结果显示,两者吻合较好.     

高强度激光加热薄层物料的数值模拟

本文对一侧表面存在对流换热的薄层物料受高强度脉冲激光加热的双曲型热传导问题利用有限差分方法进行了数值求解。考虑激光的容积吸收,将高强度脉冲激光处理为沿光程指数衰减的内热源。本文对考虑容积吸收及对流换热的影响后双曲型热传导方程的计算结果进行了分析。     

连续波激光辐照下金属材料的二维非线性温度场研究

 建立了连续波激光作用下金属材料动态温升的物理模型和有限元计算模型。并分别计算了在平均功率密度1 kW/cm²、光斑直径28 mm的连续波激光辐照下，30CrMnSiA钢及LD10-CS铝合金前、后表面及内部温度分布。得到了给定条件下，材料动态升温过程，靶前表面达到熔点的时刻，以及不同时刻靶前、后表面的温度场分布。并比较了两种材料不同的温度响应特性和不同反射率对温升的影响。     

板状激光振荡介质温度场和应力场的数值模拟

以非均匀内热源模型为基础,并考虑材料的导热系数和热膨胀系数的温度相关性,利用有限元方法,对板状激光振荡介质在不同功率和冷却强度下的温度和热应力分布进行了数值模拟及分析。根据计算结果提出了最大有效换热系数的概念,指出换热系数超过最大有效换热系数后,继续强化传热对减小高功率激光器的热效应已无明显效果。以此得出采用常规冷却技术所允许的最大泵浦加热功率。     

数值求解瞬态温度场的有限体积法

本文介绍了求解三维瞬态热传导的有限体积法,给出了控制方程和数值方法。通过一些算例对该方法进行了验证,数值试验结果表明该方法计算稳定、可靠。     

激光输出不稳定性对激光与物质热作用的影响

研究了激光与物质相互作用中激光输出不稳定性对材料中温度场颁的影响以及减少这种影响的途径。首次在激光热传导方程中引入噪声项,推导了噪声影响下该激光热传导方程的解。研究发现,温度场的分布受噪声的影响,材料表面温度的涨落较大,而材料的深处涨落较小;温度场的涨落还和激光加热的过程有关,随激光加热时间的增长,温度场的涨落增大。此外,材料的热传导系数、热扩散率和发射率均对温度场的涨落有影响。文中还提出了减小激     

激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟

在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量.基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程.用Fluent软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响.为了验证该模型的准确度,利用CCD比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布.结果表明,数值模拟与CCD检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义.     

冲击温度测量中辐射度的数值模拟

 考虑窗口不透明性、界面发射率和热传导等因素对冲击温度测量中辐射度的影响，认为在冲击压缩下窗口不透明性的增大是导致辐射度随时间变化的重要因素。用流体动力学方程、辐射输运方程并计及热传导数值模拟了辐射度，得到了与实验一致的结果。     

波面热畸变自校正型板条增益介质的瞬态温度分布

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104J、抽运重复频率为2Hz和抽运脉冲能量为3.2×104J、重复频率为10Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10s内和60s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。     

金属材料表面渗硼后的激光重熔

通过对#20低碳钢和5CrNiMo模具钢渗硼后进行激光重熔，分析渗硼剂成份对渗硼层深度和硬度、激光工艺方案对重熔层深度和微观硬度的影响，研究了重熔后表面渗硼层组织结构和形态、合金元素的分布、表面脆性、抗热冲击性能、耐磨性能的变化趋势和原因。     

Three-dimensional simulation of the temperature field in high-power double-clad fiber laser

The 3D temperature distribution in high-power double-clad fiber laser (DCFL) and the evolution of the temperature field in the fiber are analyzed, according to the transient heat conduction equation. The temperature in the fiber reaches the maximum after opening the pump light about 20 s, and cools down to the room temperature after shutting down for also about 20 s. The shape of the inner-clad can only affect the spacial distribution of the temperature outside of the core, but have no effect on the maximum temperature in the core.     

解析计算半导体激光器列阵的热沉温升

通过解热传导方程得到了半导体激光器列阵的热沉温升分布的解析表达式,并利用该解析式得到了热沉的温升分布图。分析了对流换热传热系数对上下表面温升的影响,当对流换热传热系数增大到某个值后,上下表面的温差变化很小,而温升随该系数的增大而降低,所得的结果与用有限元法算得的并经过实验验证的结果基本上是一致的。     

激光烧结石墨烯铜复合材料温度场有限元模拟

在激光烧结石墨烯增强铜基复合材料的过程中,了解瞬时温度场分布对优化工艺参数、控制烧结质量有重要作用。建立了激光烧结预涂在42CrMo基板上的石墨烯铜的混合粉末的有限元模型。研究了激光烧结过程温度场分布,熔池的几何参数以及烧结层与基体的冶金结合宽度。为了验证模拟结果,使用与模拟相同的参数进行了单道激光烧结的实验。研究表明,热传导、热辐射和相变潜热在激光烧结过程的温度场分布中起重要作用。实验结果与模拟结果较为一致。所以可以依据模拟结果预测实验的温度场分布和熔池几何参数,同时也可以据此优化激光烧结参数。     

旁路耦合电弧焊温度场模拟及验证

针对旁路耦合电弧焊的特点, 建立了一种适于用旁路耦合电弧焊的复合热源模型. 利用该热源模型对不同焊接参数下的旁路耦合电弧焊温度场进行了数值分析, 得到了总电流相同时不同旁路电流下的焊缝熔深、母材温度和特征点焊接热循环曲线的模拟结果, 分析了旁路耦合电弧焊焊接参数对母材热输入的影响, 并将特征点热循环曲线的模拟结果与相同条件下的试验结果进行了比较. 结果表明, 焊接总电流相同时母材热输入随着旁路电流的增加而降低, 且越靠近焊缝母材热输入的降幅越大, 特征点焊接热循环曲线的模拟结果与试验结果基本一致, 旁路耦合电弧焊温度场模型是合理的, 所建立的热源模型能够正确反映焊接参数与母材热输入之间的关系.     

激光辐照下旋转柱壳温度场的数值模拟

采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况,并分析了热性能参数对温度场造成的影响,同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响。结果表明,激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升, 外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性,当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升。     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

含双圆柱亚表面缺陷板条材料的表面温度分布

基于非傅里叶热传导方程,采用复变函数法和镜像法,研究了含双圆柱亚表面缺陷板条材料热波散射的温度场,并给出了热波散射温度场的解析解。分析了入射波波数、热扩散长度、缺陷的埋藏深度以及板条材料的厚度等对板条表面温度分布的影响。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。该分析方法和数值结果可为工程材料结构的传热分析、热波成像和材料内部缺陷评估,以及热物理反问题研究提供参考。     

长脉冲高能激光对金属靶材烧蚀实验研究

为研究长脉冲高能激光与金属靶材相互作用的机理,使用2种激光器对铝、钢、铜和钛靶材进行烧蚀试验。记录靶材穿透时的激光轰击次数,测量穿过通孔的激光能量和孔的面积,得到不同材料在不同能量密度下的烧蚀率。实验表明：能量密度低的激光束,即使对靶材可能有烧蚀作用,它的烧蚀率要比能量密度高的激光束小很多。能量密度达到造成液态质量迁移条件的长脉冲激光,可获得较大的烧蚀率和截面积较大的通孔。     

Numerical simulation of the transient multiphase field during plasma deposition manufacturing composite materials

A solid/liquid/gas unified model has been developed to investigate the gradient composition formation during the plasma deposition manufacturing (PDM) composite materials process. In this model, an enthalpy porosity model was applied to deal with the melting and solidification of the deposited layer, and a level-set approach was introduced to track the evolution of the free surface of the molten pool and the deposited layer. Moreover, complicated physical phenomena occurring at the liquid/gas interface, including forced convection heat loss, heat emission and plasma heat source, have been incorporated into the governing equations by source terms. In this study, the numerical experiment of nickel base alloy powder deposited on the medium steel substrate by PDM technique was implemented based on the staggered grid and SIMPLEC algorithm. Concentration gradient distribution of the solute material at the composite material interface, fluid flow and temperature distribution in the molten pool and the deposited layer have been investigated in detail. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50474053) and the High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2007AA04Z142)     

激光切割脆性材料的温度场模拟

激光切割脆性材料是一个复杂的光致热过程。在综合考虑材料的热物性参数、初始条件及边界条件的情况下,运用Ansys软件建立了激光切割脆性材料温度场的三维有限元模型。采用APDL语言实现了对热流密度的高斯分布和强制对流换热及移动激光热源的模拟。通过设置不同的激光切割参数,对温度场的变化进行了模拟分析。所建立的温度场模拟系统可以对实际激光切割脆性材料的热过程进行前期预测,并能对激光切割参数的选择进行一定的优化,以减少实际切割的盲目性。