激光扫描加热准稳定温度场数值模拟计算设计研究Word下载.docx

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目前国内外都有相关的研究,并取得了一批重要的成果,有些也已经应用于各种机械零件的表面硬化。

但是在这些研究成果和应用中仍然可以发现很多不足之处,所以对激光相变硬化的进一步研究是十分重要的。

1研究方案及意义

本课题主要对激光扫描加热准稳定温度场数值模拟计算设计进行研究。

对于确定的材料,怎样选定合适的激光加工工艺参数,因为激光加热过的金属表层区域的金相组织、物理、化学性能会发生变化,有表面局部硬化的表现。

其结果一般都采用试验或凭经验加以确定,这样就要耗费大量的财力和物力,也给激光技术的更广泛应用带来不便。

采用计算机数据仿真模型,模拟激光扫描加热操作,得到相关数据,从而降低实验的研究成本,带来更大的市场商机。

我们通过这次的研究课题,制作出一个简单明了的,具有友好型界面的软件,可以计算出我们想要的一些相关数据。

激光扫描加热处理材料,在材料中的每个点的温度值是不同的。

首先我们所要讨论的是激光加工工艺参数与材料参数之间的关系,建立数据仿真模型,计算出合适的值。

确定激光扫描加热区域温度场的数值仿真模型,然后对该模型进行求解,得到激光加热工程的温度场分布,之后对激光加热辅助切割的主要影响参数做进一步的仿真及相关实验研究,分析这些激光加工工艺参数对加工质量的影响,优化加工用的激光参数,如光斑中心离刀尖距离、激光的功率密度、工件的旋转速度、工件表面光斑直径、激光工作的温度场等。

在我们对与激光加工工艺参数进行优化的同时,对于数据的计算也进行一定的优化,使计算公式能够更加的清楚。

2数学模型的建立

2.1问题的简化

在激光扫描加热过程中,由于问题往往比较复杂,材料各点的温度多变,难以进行分析,所以在求解过程中,我们做如下的设定,根据假设条件来简化方程。

（1）材料的热物理性质不随温度而变化。

（2）除了激光束开始辐射和即将结束两个阶段外,相对于运动坐标系的温度分布为准稳定态。

（3）相变潜热相对于激光束热流相当小,可以忽略不计,及H=0。

（4）在y=0,=0,符合绝热边界条件,及y方向的温度场分布以y=0面对称。

（5）激光束具有均匀的能力分布,q=Q/2a×

2b,式中Q为激光束的输出功率,q为热流,2a,2b,为激光束的尺寸。

（6）材料对激光的吸收系数不随温度变化而变化,但与扫描速度有关,以F（V）来加以修正。

对问题简化了以后,为之后公式的推导提供了前提。

激光对物体加工轨迹如图1所示。

2.2导热偏微分方程

在三维直角坐标系中,导热偏微分方程为:

其中Kii（i=x,y,z）为x,y,z三个方向的导热系数,H为固态相变潜热,P为材料密度,C为材料比热。

对于各向同性材料,导热系数为常数,令×

则上式可变成:

2.3激光热处理瞬态温度场快速算法

通常,激光热处理是一个短暂的过程,热影响局限于材料的表层,同时,由于材料在激光扫描后基体对表层热能的迅速扩散是使表层完成淬火过程的原因,所以只要研究光束在临近区域的温度变化,就可以有效的预计热处理的结果。

因此在光束临近区域并与光束共同运动的动坐标中对问题进行讨论。

在半无限大均匀的介质上建立三维直角坐标系,坐标指向材料的内部,如果材料表面存在速度v沿着x方向运动的单位强度点热源,并在与光源共同运动的动坐标中温度分布与时间无关以及光源处于动坐标原点时,温度场计算公式是:

式中,To为光源与材料相互作用前材料基体的温度,在观察时刻t运动坐标系与固定的坐标系的关系为:

按照温度场的线性叠加性质,功率密度为的面热源在半无限大介质内激起的温度场就可以表示为与

（1）式右端的卷积为:

沿用以上的推导公式,在t=0时开始在原点处引入一单位强度点热源,此后热源以速度v沿着x轴正向运动,在介质的热物性参数与温度无关,表面满足绝热边界条件的情况下,时刻t介质的温度长Ti（x,y,z）可以写为:

上式中,为介质的热扩散系数;

k为介质的导热系数;

t为热作用时间;

To为t=0时刻介质的初始温度分布（K）;

是函数。

激光热处理中重要的是研究作用光斑周围的温度分布,将坐标变换到与光源共同运动的动坐标中讨论,上式化简为:

3软件介绍

3.1工具选择

在激光扫描加热准温度温度场的测定中,我们选择的是matlab软件进行图形绘制。

matlab是一款数学处理软件,它所绘制的图都是通过精确的仿真得出的,也就是说图形的各个参数都是matlab计算出来的,然后根据这些计算出的参数来绘制图形。

matlab的图形系统包括一些高级命令,用于实现二维和三维数据可视化、图像处理、动画等功能,建立用户界面。

它可以迅速地建立临时性的小程序,也可以建立复杂的大型应用程序。

另外matlab的数学函数库和应用程序接口都为用户提供了方便的交互功能。

基于matlab多方面优势,使用matlab来支持本项目是明智的选择。

3.2软件设计

（1）需求分析。

通过对软件进行需求分析,用户可以根据需要选择需要图像的维度,然后进行虚拟材料和激光的参数的设置,然后借助前面推导的导热偏微分方程的公式,对温度进行计算,matlab计算出温度值,自行划分坐标和网格,能够绘画出材料内部的温度,于是可以对热处理硬化区域进行了预测比较。

整个软件的功能流程图如图2所示。

（2）界面布局。

软件的界面,在设计当中本着易用、简洁、美观、有效、人性化的原则,通过interface.m队界面进行了绘制。

进入系统首先选择绘制图像的维度,然后需要进行参数设置,需要用户登陆,界面布局如图3所示。

界面中部位置为绘图区,在下方温度和高度的文本区域是输出结果区域。

另外地下添加了功能放大、缩小、移动和打印的工具,增加了软件的灵活性,方便用户使用。

在界面的右方,分别布置了3个按钮,分别是:

设置参数,用来对计算图形的数值进行变更,清屏可以将以绘图形消除,进而绘制下一图像;

帮助按钮,用来给用户提供使用软件的步骤。

3.3功能实现

用户通过界面中的菜单选项,和绘图区下方的按钮与软件进行交互。

其中鼠标的每一动作,如点击、拖动的行为对软件而言会变成触发事件,从而引发事件的处理行为。

在参数设置中,设计想法是用户拥有改变参数的密码,才可以进一步更改,这里加载了mima.m文件来实现这一功能,对用户的权限设置,这一点也体现了软件的成熟度。

在绘图前点击“计算”按钮时,这时系统会激活加载的文件,此文件的内容就是根据前面的导热偏微分方程,对用户设置的参数进行计算,得出温度和高度的结果,并绘制出图像。

（1）参数设置。

使用本软件进行激光扫描加热准温度温度场数值模拟,首先第一步选择需要绘制图形的维度,然后进行对激光参数和材料物理参数进行设置,输入正确的密码,获得修改参数的权限后,如图4所示。

其中,各参数和它的物理性质如表1所示。

（2）计算图形。

对参数设定完成以后,点击“计算”按钮,计算机就开始计算结果,由于数学计算的复杂度比较高,这时需要等待一段时间,此时的软件左下方也会提示“busy…”,表明计算正在进行中。

在激光扫描时,可以理解为热源沿着被扫描的固体表面移动。

在建立的坐标系统内部,取y值为一定值,所得纵切面,能够体现出温度随着x轴和z轴的变化趋势。

某点的位置和温度都可以根据需要输出在相应的输入区域内部。

该软件对激光加热扫描物体时的二维温度显示如图5所示。

4结果分析

从二维图中我们从中可以看到在激光扫描过程中,沿着X方向即激光扫描的方向,温度梯度大于负方向的温度梯度。

从40～49.5左右,材料各个点的温度快速增加,直至顶峰,之后随着深度的增加,温度迅速下降,直至降到0。

在任意位置中,x一定时,一个高度对应一个温度。

温度岁高度先增后降低。

从实验数据我们可以得出,对一定的材料及一定的激光加热功率存在相变硬化处理的极限扫描速度和最大的相变硬化层深度。

另外三维温度场的计算可以预测相变硬化区的大小和形状。

通过对激光加热材料二维图和三维图的观察,我们可以推测得到激光能量分布和扫描速度是影响温度场的主要因素。

对于给定功率的激光来说,最大温度的获得来自于能量密度,能量越集中,所获得的最大温度就越高。

而温度场的轮廓又决定于激光能量密度分布和扫描速度。

稳定提督是对热处理结果影响最重要的参数,由仿真结果可以看出。

（1）能量越集中,在激光光斑的边缘,温度变化梯度越大。

（2）从模拟结果可以获得温度梯度、冷却速率,从而分析热处理的相变硬度。

（3）热量的堆积将会导致温度的升高,而且导致高稳定的位置和激光光斑中心并不重合。

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